各种材料介电常数空气的介电常数

如今，微波炉已经成为大多数家庭必不可少的厨房用具。使用方便快捷。无论是想加热食物，还是暂时需要一杯温水，只要放入微波炉中“叮”一下，很快就能如愿以偿。更何况打扫起来也不需要太多麻烦，简直就是懒人的福音！
微波炉简单易用，你不用看说明书就知道怎么操作。但是如果我想问你，“微波炉是怎么加热食物的？它能做什么，不能做什么？为什么有些东西不能用微波炉加热？”很多人说不出原因。
今天，我们来谈谈微波炉中的科学。

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微波炉里的猫与薛定谔无关。
微波炉是怎么发明的？爱迪生的团队希望制造一种可以用电照明的灯，让人们摆脱对油灯的依赖。经过多次挫折和反复试错，他们终于发明了一种可靠的电灯。在许多产品被创造出来之前，发明者就有明确的目标，并朝着目标反复探索和实验。但是微波炉不是这样的。它是在制造雷达的过程中无意中发现的，然后发明的。

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没想到，雷达竟然是微波炉的鼻祖！
著名的雷神公司在二战中生产雷达。这种大型无线电天线可以向外发射电波，同时接收反射的电波束。通过计算反射波的时间间隔和角度，可以判断敌机的距离和方位。雷达是当时的先进武器，其关键部件“磁控管”就是用来产生电磁波的。一天，雷神公司的工程师珀西·斯宾塞在测试一个新的磁控管时，意外地发现他口袋里的糖果棒融化了。他怀疑是磁控管发出的电磁波引起的，于是拿了一个生鸡蛋做实验。当斯潘塞将磁控管射向鸡蛋时，鸡蛋很快因内部热量而爆炸。然后斯潘塞用磁控管加热玉米粒，他很快得到了一堆爆米花。

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这是雷神发射雷达波的磁控管，微波炉的原理和它差不多。
得知斯潘塞的发现后，雷神很快注册了“雷达技术烹饪”的发明专利，并很快制造出第一台带磁控管的烹饪机。他们把这台新机器命名为“雷达范围”，意思是“小范围雷达”(这是纯科学部门诞生的名字) 。后来营销专家认为“微波”这个词更时髦(就像今天各种“量子”“纳米”满天飞一样) 。他们将新机器命名为“微波炉”，后来又改成了“微波”，这就是微波炉的起源。

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最早的微波炉广告，一个漂亮的家庭主妇是必不可少的。
为什么微波可以加热？微波通常是指波长为0.1毫米~ 1米的电磁波，其频率范围为300兆赫~ 3000千兆赫，在这个频率范围内光量子的能量约为1.99× 10 J ~ 1.99× 10 J，微波光子的能量不够高，不会引起电离反应，但可以像红外线一样加热物体。

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微波光谱
微波的物理特性通常表现在三个方面:穿透、反射和吸收(部分吸收):对于玻璃、陶瓷等一些非极性物体，微波会直接通过，很少与其中的原子发生相互作用；对于有大量自由电子的金属物体，微波像可见光一样容易被反射；而且水很容易吸收微波并产生热量。
一个物体是否容易被微波加热，与它自身的介电常数有关。介电常数越大，越容易被加热。相反，如果介电常数小于2.8，则称为非极性物质，不易受微波影响。空气体的介电常数为1.000585，几乎不受微波影响。玻璃的相对介电常数约为5 ~ 10；而水则达到81.5，因为水分子表现出很强的极性。

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由于其极性，水分子形成氢键。
水的强极性是由水分子结构决定的。我们知道水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。这两个氢原子和氧原子不在同一轴上，两个氢氧原子键之间有104° 28′的夹角。氢带正电荷，氧带负电荷，所以水分子对外界是极性的。

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水分子的极性
当微波通过水时，极性较强的水分子会随着微波高频电磁场的快速变化而不断改变方向，从而将微波场的场能量转化为水分子的热能，导致水的温度迅速升高。食物中的水分含量越高，越容易被微波加热。
微波炉不能加热金属，但会在金属锋利的表面形成驻波，产生强烈的放电，可能引起火灾。所以你最好不要在微波炉里放金属物品，不管是盘子还是刀叉。

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微波可以在金属叉尖形成驻波。
微波炉为什么杀不了蚂蚁？一些好人做过实验。他们抓了几只蚂蚁放在微波炉里折磨它们。然而，蚂蚁爬进去，根本不把致命的微波当回事。同样的情况也发生在蟑螂身上。这到底是为什么？蚂蚁对微波“免疫”吗？
这需要从微波炉的结构入手。
我们知道微波炉里有一个磁控管，可以产生微波束。磁控管产生的微波通过金属管传输到微波炉外壳的上部，在那里有一个扇形部件。这个“风扇”用来反射微波。它利用微波接触金属时会被反射的特性，将微波束射向盒子内部的四壁，使其在炉内不断来回反射，直到碰到食物时被吸收。

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微波在金属盒中多次反射，最后聚集在食物上。
因为微波的强方向性，微波炉里总有照射不到的地方，蚂蚁也在不停地寻找微波炉里的空缝隙。当然，蚂蚁的身体很小，相比之下，它的身体表面积很大，可以更快地散热。此外，它含有较少的水，这也是它容易生存的原因之一。如果你拿胶带把它固定在微波炉中间，它会死的。

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蚂蚁可以在微波炉里闪来闪去救命，说明微波炉有死胡同。
微波炉可以杀菌，但不能杀菌。如果用微波炉加热湿毛巾消毒，是可以做到的，因为大多数常见的细菌都经不起高温，而微波可以破坏细菌中的蛋白质和氨基酸。
然而，研究结果表明，微波对细菌产生的毒素没有影响，微波不能用于消毒。
约旦大学的科研团队将黄曲霉毒素污染的鸡饲料放入微波炉，以2450MHz和1.45kW的高频输出，100%功率加热2、4、8、10分钟。检测结果表明，微波只去除了22%~32%的黄曲霉酶，效果非常不理想。原因是，一方面，杀灭病毒需要200℃以上的温度，而且不留死角，这是微波炉做不到的。

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微波炉去除黄曲霉毒素的效果不理想。不适合消毒。
微波会致癌？一般来说，微波炉非常安全。
我们前面介绍过，微波是一种非电离辐射的电磁波，它的能量比较低，所以只能加热物质，而不能电离原子外层的电子。微波主要用于通信，因为它具有信息丰富和方向性。目前世界上很多国家也发展了一些非致命性的微波武器，主要是利用微波加热的原理来驱赶敌人。

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新的高功率微波武器可以用来驱赶人群和“击落”无人机。
微波炉里的微波理论上不会漏出来。这是因为微波炉的电磁波频率被限制在2450MHz的标准。从波长λ=c/f，我们可以计算出微波炉中微波的波长为122 mm，微波炉箱体周围的金属板上的孔最大也只有2 mm左右，微波很难漏出，人站在附近是安全的。
微波加热的食物会产生致癌物吗？
我们前面介绍过，微波主要是通过振动食物中的水分子来加热食物，所以不会破坏食物中的有益成分。
如果肉类过热，可能会产生过量的杂环芳香胺(HCAs)和多环芳烃(PAHs)，它们被认为具有更大的致癌风险。如果你在烧烤的时候把肉烧焦了，我建议你不要再吃了，因为烧焦的肉中含有较多的六六六和多环芳烃。但是微波炉加热的食物很难达到这么高的温度，所以一般用微波炉加热食物是安全的。你不用担心。