晚餐和表演——微波炉的工作原理知识

用微波炉加热速冻晚餐背后的科学

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偶尔提醒自己一些最常见的设备有多么出色是一种享受。一个典型的微波炉将来自 120 伏墙壁插座的电力提升到令人难以置信的 3,000 伏或更高,并在短短一两分钟内安全地烹饪食物,但它的成本却低于一双好鞋。而且我们可以通过方便的窗口观看“表演”。

关键部件是磁控管。虽然这个名字让人联想到一些可疑科幻电影中的硬件,但这种精密的真空管产生的微波足以用于军用雷达(最初就是为此开发的)。微波不是像火焰或电热丝那样从外部加热食物,而是穿透食物并从内部产生热量。

幻灯片展示:微波炉内部结构


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尽管微波炉自 20 世纪 50 年代就开始销售,但有些人似乎仍然对这项技术持谨慎态度。经典的担忧是:微波会不会穿过窗户,伤害我们的身体——尤其是眼睛?不会。微波会被玻璃中嵌入的金属网反射。“网孔远小于微波的波长,因此金属网就像一面坚固的金属镜子,”弗吉尼亚大学物理学教授路易斯·A·布卢姆菲尔德指出。

几年前,营养学家们提出了微波炉会减少食物中营养物质的担忧。但实际上,研究表明情况恰恰相反。所有烹饪方法都会破坏维生素;损害程度取决于温度和烹饪时间的长短。大多数研究表明,微波炉的温度较低,而且实际上比炉灶或烤箱烹饪方法所需的时间更少。水煮食物尤其有害。

最近的一个争议是微波炉是否会干扰 Wi-Fi 网络。密封良好的微波炉不会造成干扰,因为电磁辐射无法逸出。但微小的泄漏可能会引起问题。“无线传输对电磁辐射非常敏感,”布卢姆菲尔德说。“因此,即使泄漏量只有十亿分之一,我们的身体也永远不会注意到,但 Wi-Fi 信号可能会受到影响。”

你知道吗 ... 呼呼声: 
微波炉发出的呼呼声与磁控管无关,磁控管的共振频率远高于人类听力范围。噪音来自风扇,风扇吹过磁控管以保持其冷却。

嗡嗡声: 
微波炉也会发出嗡嗡声。它来自变压器、二极管和电容器,它们在将来自墙壁插座的 60 赫兹电力升压时会振动。

火花: 
尽管人们普遍认为金属会导致微波炉内部产生火花;但实际上,烹饪室的壁也是金属的。形状很重要。火花是由带电粒子的积聚引起的,当它们受到在短距离内急剧变化的电压推动时,会突然放电。扁平、圆形的金属盘会将其周围的电荷分散开来,防止积聚;一些微波炉比萨饼下方的“脆化”托盘和包裹某些食物(如热口袋三明治)的套筒都有金属涂层,这些涂层会变得非常热并使食物变褐,但不会产生火花。但是,更尖锐的点,例如叉子的尖齿或铝箔中的许多小边缘,会集中电荷,并导致局部电压下降,从而共同产生电晕放电——火花。

解冻: 
几十年来,微波炉通过简单地打开和关闭磁控管来实现“解冻”或任何低功率设置,这样它只会在总烹饪时间的一部分时间内产生全功率微波——这是一个清晰可闻的循环。一些新型号配备了脉冲宽度调制器——一种大型电子电路,可以削减变压器的功率,从而降低微波的功率。

注意:本文最初以标题“晚餐和表演”发表。

马克·费斯切蒂 担任《大众科学》高级编辑已有 17 年,报道了可持续发展问题,包括气候、天气、环境、能源、食物、水、生物多样性、人口等等。他负责委派和编辑记者和科学家撰写的专题文章、评论和新闻,也以这些形式进行写作。他编辑杂志的“历史”栏目,该栏目着眼于贯穿始终的科学进步。他是两本衍生杂志的创始执行编辑:《大众科学·思想》和《大众科学·地球 3.0》。他在 2001 年为该杂志撰写的自由撰稿文章《淹没新奥尔良》预测了像卡特里娜飓风这样的风暴将给这座城市带来的广泛灾难。他的视频 人死后你的身体会发生什么? 在 YouTube 上的观看次数超过 1200 万次。费斯切蒂曾为《纽约时报》、《体育画报》、《史密森尼》、《技术评论》、《快公司》等众多媒体撰写自由撰稿文章。他与万维网的发明者蒂姆·伯纳斯-李合著了《编织网络》一书,该书讲述了万维网是如何创建的真实故事。他还与微生物学家埃莉诺·列维合著了《新杀手疾病》。费斯切蒂曾任《IEEE Spectrum Magazine》和《Family Business Magazine》的执行编辑。他拥有物理学学位,曾两次担任路易斯安那州百年学院公民文化阿塔韦研究员,该学院授予他荣誉博士学位。2021 年,他获得了美国地球物理联合会的罗伯特·C·考恩科学新闻持续成就奖,该奖项旨在表彰他在地球和空间科学领域的杰出报道职业生涯。他曾在 NBC 的《与媒体见面》、CNN、历史频道、NPR 新闻和许多新闻广播电台节目中露面。在 X(前身为 Twitter)上关注费斯切蒂 @markfischetti

更多作者:马克·费斯切蒂
大众科学 Magazine Vol 299 Issue 5本文最初以标题“微波炉的工作原理”发表于 《大众科学》杂志 第 299 卷 第 5 期(
doi:10.1038/scientificamerican112008-5x0rUFMxutiOjPda6gim6c
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