微波炉的产热原理

南开大学物理科学学院热学论文 1 / 3 微波炉的产热原理及计算 The heating principle and calculation of microwave oven 南开大学物理科学学院 伯苓班 （作者:魏潇赟 学号：1210304 email：jianwei1995@qq.com） 中文摘要：随着社会的发展，微波炉已经走进了千家万户，人们越来越能体会 到其方便快捷，只需把食物放进加热腔，设定好时间，美味自然就来了。那么， 有没有谁考虑过这种高效简单的加热方式背后的物理含义呢？曾经有人说微波 炉加热的原理是共振，由于微波的频率与水分子的固有频率相等，是水分子振动 的振幅达到最大，动能增加，内能自然增加，其实不然，他们忽略了水分子的结 构，极性分子。原理很简单，就像冬天手冷了搓一下就热了一样，看似高端的微 波炉其实原理就是摩擦生热。微波炉利用微波使食物中的水分子高频振荡，与周 围的水分子摩擦生热，直接从食物内部加热，高效快捷，不会产生极端高温，能 够最有效的保留食物的营养，那么，既然它的加热原理已知，我们就可以利用阻 尼振动的知识在理论上计算其某段时间内的产热，本文的主要目的就是计算其产 热。 Abstract：Microwave oven let the water molecules vibrate in high frequency through microwave. The vibration of the water molecules produces friction which increases the temperature of the food. (Because I can't find the related specific literature, understanding and computing are all from individuals. if there exists anything which is not very proper, please forgive me.) 关键词：微波，振荡，摩擦生热 文献标识码：A 理论： 微波炉组成部分：电源，磁控管， 电路（低压和高压），计时器，加热腔。 如图一所示。 磁控管是其核心元件，它的作用 是辐射微波，将电能转化为微波的电 磁能发射，进而使食物中的水分子振 荡，最终将电能转化为食物的内能。 其物理原理是偶极子振荡，摩擦产热 ——偶极子在变化的电磁场中受到洛 仑兹力，会随电场的变化而运动，与 周围偶极子摩擦产生热量，物体温度 升高。 水分子是由一个氧原子两个氢原子 构成的，三维结构为 V 型，其正电荷 中心位于两个氢原子中点，负电荷位图一：微波炉 图片来自谷歌 美女们的 vbkfbbd， 巴马科方面妇女看到 vcvcdkvkkd，vmm， 当你 vnsv 小美女形 象崇明县 vcm，v 小 美女大麻烦 vfdgfikfrvkfnvkkfdnvfl ；阿文就；放假了； 阿玛发；阿娇机关人 几个咖啡机管理；国 际日根据。额 南开大学物理科学学院热学论文 2 / 3 于氧原子处，二者不重合，所以水分 子为极性分子。 在没有外电场的情况下，水分子是 杂乱无章地排列的，整体看来没有定 向电厂。当水分子处在电场中的时候， 由于电场力的作用，会使水分子的偶 极子取向一致，产生极化电场。如果 电场恒定，水分子会保持这个状态不 变。但若电场在变化，那么电偶极子 会随着其变化而变化，试图与电场保 持一致。微波炉的磁控管将电能转化 为微波能，当磁控管以 w 的频率发射 出微波时，置于微波炉炉腔内的水分 子以每秒钟 w次的变化频率振荡，与 其周围的水分子或其他原子或分子相 互摩擦产生热量。总之在微波炉的微 波作用下，食物中的水分子随着其频 率振荡，由于频率很高，摩擦生热使 食物温度升高。 然而，对于金属来说，即使频率达 到 2450MHZ（磁控管的频率），依旧 相当于低频。由于趋肤效应 √ ( 为金属电导率，w 为电磁波频率)，金属对于低频微波具 有屏蔽作用，所以，在加热的时候， 不能用金属器皿。最佳选择应为陶瓷 或玻璃或塑胶等还有极少水分子而本 身组成物质为大分子，不易微波振荡， 能量损耗较少，效率比较高。 接下来可以应用我们所学的关于原 子振荡的知识对其产热做粗略计算， 由于相关文献甚少，以下的计算基本 来自个人理解。 我们可以把在电场中振荡的偶极子 看作一个谐振子，把电场力，阻尼力， 恢复力考虑其中，其振荡应如图三所 示，其振荡方程为： ̈ ̇ [ 是偶极子的固有频率， 为阻尼系 数， 为单个偶极子的质量] 其中 x是平行于 E 方向的位移，由 于电场周期性变化 位移也将以同样的频率振动 将 ̇ ̈ 代入运动方程， 可得 可得 ̇ : ̇ 则 ̇ 则摩擦生热为：(N为偶极子个数， 即水分子数) 由于非整周期的路程与位移的关系 较复杂，在此我们只讨论时间 为 1/8 周期整倍数的情况。 图二：水分子 来自谷歌 图三：偶极子振荡图 （谷歌） 南开大学物理科学学院热学论文 3 / 3 ∫ ∫ ( ) ∫ ( ) ∫（ ） | 如果已经通过实验得出所加热食物 的比热容，我们就可以得出在时间为 (此处 T 为周期)时，其升高的 温度为 ∆T 可以看出微波炉加热用时是比较短 的。 结论： 通过利用偶极子振荡模型，计算器在 微波中的摩擦生热问题，得出了其在 T/8 时间内的产热，从物理上解释了微 波炉加热的特点，均匀，高效，最大 程度的保留食物营养，并从趋肤效应 的角度，说明了微波炉加热不能用金 属的器皿。 注：现实生活中的水分子在固体或液里 的振动与自由水分子偶极子并不是完全相 同，可能 和 也会改变，这里只是给出一 个理想化模型。由于时间有限，在此不做关 于修正的探讨。 参考文献 [1]：费恩曼《费恩曼物理学讲义》（第 1卷）Chapter 23 “阻尼振动” [2]：吴耶 微波炉是如何工作的[期刊 论文]-大科技·科学之谜 2010(4) [3]：高忠明.徐秋 微波炉和电磁灶的 巧妙加热[期刊论文]-物理通报 2005(1)