每天中午，送饭的民工就开始聚集在微波炉前加热饭菜。

在等待的过程中，小编想到了一系列关于微波炉的问题：

微波炉这么方便的东西是怎么发明的呢？

为什么用微波炉加热食物时内部首先变热？

为什么微波炉不能加热金属？

为什么两颗葡萄放在微波炉里会产生火花？

怎么还没轮到我？

于是就有了这篇文章。

来自意外的发现

上世纪初的一天，美国工程师珀西·斯宾塞正在研究他的军用雷达装置，这时他发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。 这引起了斯宾塞的兴趣。 排除其他因素后，他认为这可能是雷达“捣乱”，于是他和几位同事开始拿军用设备进行烹饪实验。

上个世纪用微波炉加热食物的漫画| 来源：

第一个专门用于微波加热实验的食物是玉米粒，它成为世界上第一个微波爆米花。

大概是觉得效果不够酷，斯宾塞等人就把鸡蛋放进了水壶里，然后把发射电磁波的磁控管塞了进去。 结果，鸡蛋给了他们一个“惊喜”，变成了一颗“炸弹”，溅到了正在盯着它的参与者脸上。

伊戈：我不可能是唯一一个致力于科学的人 | 来源：

后来，斯宾塞专门设计了一个金属盒子，将磁控管放置在里面，让电磁场更加集中可控，不会泄漏出去。 这是微波炉最早的原型。

雷达附近的热效应并不是斯宾塞首先注意到的，但他是第一个对其进行探索并发现其应用价值的人。

早期的微波炉| 来源：

然而，和电脑一样，最早的商用微波炉体积非常庞大，高约1.8米，重340公斤，当时的售价高达数千美元。 直到1967年，微波炉的体积和价格才变得相对实惠，开始进入千家万户的厨房。

从内到外加热？

与烤箱不同的是，微波炉加热的食物往往外面还是冷的，但里面却先被加热了。 即使微波炉可以穿透食物，也应该将内部和外部一起加热。 为什么内部优先？

要理解这一点，我们必须首先了解微波本身的性质。

虽然称为“微波”，但它在电磁波谱中的波长比可见光和红外线（1毫米至1米）长，比无线电波短。 微波炉使用的电磁波的波长约为12厘米，频率为2.45GHz。

电磁频谱| 资料来源：维基百科

无论是炉子还是烤箱，本质上都是利用电磁波（主要是红外线）来加热食物。 靠近热源的食物表面首先吸收热量，然后向内传递。 微波炉发出的微波可以直接作用于食物内部的某些分子。

现代微波炉的基本结构| 来源：

当然，食物会受到内部和外部微波的影响，但并不是所有的分子都会做出积极的反应。 这种合作主要依靠水分子等可以极化的“活性分子”。 水分子整体不带电荷，但其正负电荷中心不重叠，是极性分子。

水分子结构示意图

在微波炉周期性变化的电磁场中，水分子开始像小磁铁一样“摇摆舞”，按照电磁场的节奏改变旋转方向，振动频率接近微波频率，向上每秒 24.5 亿次。 在水分子的驱动下，周围的其他分子也开始振动。 物质中分子的运动越剧烈，其显示的温度就越高。

水分子随电磁场变化而周期性振动的示意图| 来源：

由于水分子如此活跃，食物中含水量高的部分自然加热得更快。 很多食物都是外干内湿，或者是表面水分流失过多，所以内部先升温，然后向外扩散。 如果成分均匀的话，里面和外面的热量就差不多了。

由于微波加热依靠分子振动，在冷冻食品中，水分子的振动受到限制，加热效率不高。

那么，为什么要选择特定频率2.45GHz的微波炉呢？

事实上微波炉加热食品的原理，家庭WiFi也在这个频段。 属于国际电信联盟规定的频段，向工业、科学和医疗领域开放，避开了通信等领域使用的频段。 另外，微波炉采用这个频率也是考虑到加热效率和成本。

为什么微波炉不能加热金属？

如果您打开微波炉手册，则会出现有关不加热金属的警告。 然而，令人不解的是，微波炉内有金属结构，最明显的就是微波炉门上的金属网。

微波炉的外壳本质上是一个金属笼子微波炉加热食品的原理，相当于法拉第笼，可以将电磁波困在里面。

法拉第笼可屏蔽电磁场| 来源：

微波在烤箱内弹跳但无法逃逸。 这样，微波的能量就可以集中并被食物吸收。

虽然微波炉不是完美的法拉第笼，但合格的微波炉泄漏的微波强度远小于太阳光的辐射强度，所以不必担心被微波炉“煮熟”。

然而，在某些情况下，金属可能会让你的微波炉变成灾难现场。

金属内部有许多自由移动的电子，它们在变化的电磁场中重新分布。 当电位差积累到一定程度时，可能会出现像夏季积雨云一样的闪电。

铝箔（上）和叉子（下）在微波炉中会产生火花，请勿模仿！ | 来源：

薄的、起皱的铝箔和锋利的叉子都是高风险物品。 它们很容易在角落积聚电荷，造成电位差，产生电弧，甚至损坏金属材料和微波炉。

两颗葡萄“擦出”激烈火花

金属在微波炉中产生火花并不奇怪。 令人难以置信的是，两颗葡萄在微波炉里也会“溅出”火花，甚至比金属还要猛烈（危险，请勿模仿）。 仅用一种葡萄或另一种浆果是行不通的。

两颗葡萄在微波炉中擦出火花| 资料来源：HK, P. and AD (2019)

这一现象多年来一直被人们热议，但一直没有人给出合理的解释。 直到去年，一个科研团队才解开了这个谜团。

使葡萄闪闪发光的是一种称为“米氏共振”的现象。 米氏共振，又称结构共振（-），是指特定形状和材料的某些物体的尺寸与电磁波的波长相近时发生的相互作用。

前面我们提到微波炉的微波波长约为12厘米，这是指它在空气中的波长。

在不同介质中，微波的波长和折射率不同。 它在葡萄果肉（主要是水）中的波长只有原来的1/10，即1.2厘米左右。 这个长度接近葡萄的直径，这符合米氏共振条件下，微波被困在葡萄内部并不断反射，形成振荡电磁场。

微波炉中两颗葡萄的热量分布 | 资料来源：HK, P. and AD (2019)

这时，如果两颗葡萄之间的距离小于一个波长，它们内部的电磁场就会相互作用，接触点处的电磁场强度会明显增加。 最后，葡萄中的离子（主要是钠离子和钾离子）会被电离，等离子体被激发。 体内的空气也会被分解，形成电火花。

实验过程中，研究人员用大小相似的水凝胶珠替换了两种葡萄，取得了相同的效果。 他们还考虑将这一原理应用到更复杂的光刻技术中。

但实验成功的背后，恐怕还有不少微波炉拥有者英勇牺牲……

微波炉：我为你付出了太多（不是在实验现场）

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