微波加热原理

二、微波加热原理

自然界中任何物质（包括固体、液体、气体）在微波电磁场的作用下，都会与其发生相互作用，这种相互作用的效果是多种多样的。例如物体被加热，产生温升，使物料脱水，干燥，膨化，发泡，解冻，消解，萃取；使材料改性，可用于蔬菜煮白，食品灭菌；使橡胶硫化或脱硫，可用于烧结，烘烤；使染料固色，可用做食物烹饪……其中最重要和最主要的作用是微波加热，其他许多作用都或多或少地与微波加热有关。因此，在介绍微波的各种应用之前，有必要重点介绍一下微波加热原理，这样才能更好地理解微波有如此之多的神奇功效！

作为材料的基本特性，包括它的机械性能、物理性能、化学性能、介电特性等多种，但对微波加热而言，其中介质的介电性能却是最基本、最主要的。大家对介电特性又是最陌生的，因此有必要对这一特性稍作详细的介绍。只有这样才能弄清微波为什么能对一些物料加热？而对另一些物料加热效果不好？有些物料则根本无法加热，像水、酒精、脂肪、蛋白质等在微波作用下能迅速升温；像玻璃陶瓷、四氯化碳、聚乙烯等在微波作用下能保持原有的温度，或只有微小的温升；又像金属这类导体，微波却从其表面上被反射回去了，无法进入其中，或只能进入极微小的厚度中。这也就是为什么家用微波炉总是用各种金属板如镀锌铁皮或不锈钢板作为炉体材料，而将炉门把加热食物的微波屏蔽在炉内，不让微波外泄的道理所在。

任何物质都是由分子组成的，而分子是由原子组成的，原子又由带正电的原子核和环绕原子核作高速旋转运动的多层电子轨道组成的。在常态下，原子中的正负电荷总量相等，正负电荷的重心重合，因此对外不显电性，或者说是一种中性结构，对由大量这种原子形成的分子，当然也呈中性状态，这是从外界感知的宏观表象；但是，当这些材料处在直流静电场或交变电场作用下又如何呢？先来看一下在直流静电场（即对时间是不变的固定的电场，例如在两块平板金属间夹有一层一定厚度的材料时，如在两金属板上加上直流电压，其中建立起来的电场即称为静电场）作用下，材料中的分子、原子及电子会发生什么样的变化呢？

1）在外加直流静电场作用下，原子中外层轨道上的电子云相对原子核产生了相对位移，这种位移的结果使原子中正负电荷的重心重合状态发生了改变，导致了重心的偏离。换句话说，正电荷的原子核和外层轨道上众多电子的物理重心不再相互重合了，因而对外呈现出这种由于正负电荷重心不重合而出现的偶电矩（或称为偶极子），这一电学过程称之为“极化”，并且为了与下述其他极化相区别，这里将上述过程称为“电子极化”现象。这种极化产生的偶电矩对外电场非常敏感，建立和消除极化的时间都极短，约为10⁻¹⁶～10⁻¹⁵s左右，也就是说此时间与光波的周期相当。因而，人们有时把这种极化又称为“光极化”或“光频极化”。任何物质，不管是固体、液体或气体都会产生这种极化。由于这种极化发生在光学频段，因此在微波波段不会产生与微波的相互作用。

2）另一种极化称之为“原子极化”或“离子极化”，这是一种在外电场作用下由原子团或离子相对位移引起的。建立或消除时间与晶格振动具有相同的数量级，即约为10⁻¹³～10⁻¹² s，比电子极化时间略长。因此，处在可见光外的红外线光频上，仍称为“光频极化”。由于离子相对位移只产生于固体的离子晶体中，因而液体和气体是不会产生离子极化的。

3）第三种极化称为“偶极子极化”，它是一种只在极性电介质中才会有的极化现象。在无外电场作用下，这类材料中分子本身正负电荷分离，并且具有一定大小的偶电矩，只不过这时由于偶极子杂乱无章随机地分布着，如图4-1所示。这样就导致了这些本身具有偶电矩的偶极子从宏观角度看仍然呈现中性状态，是一种不带任何电性的材料。然而在外电场作用下，这些微观具有电性的偶极子却受到外电场力的作用，迫使其顺着电场方向整齐地排列起来。这样不仅从微观角度出发，还是从宏观角度出发，都会发现材料具有极强的极性。由于这种极化过程是由偶极子转向产生的，因此又称这种极化为“转向极化”或叫做“偶极子极化”。此极化建立或消除时间约在10⁻¹²～10⁻⁶ s之间，正好处在微波波段的周期之内。由此可见，在高频和微波波段，材料的转向极化是该波段内的主要极化形式，是最为关注的。

图4-1　无外场时的偶极子分布

下面再来讨论一下在交变电场作用下，上述这些极化又是如何建立和消除的呢？

任何极化都需要一定的时间，从上述叙述中已经看到，电子极化和原子极化所需的时间都是非常短促的，都相当于从红外线到可见光的频率范围；但偶极子转向时间相对较长，正好处于高频和微波的频率范围内，当这些波段的交变电场忽正忽负忽大忽小地变化时，分子中的偶极子就要跟随外电场的变化而变化，如图4-2所示。

图4-2　存在交变场时偶极子的旋转运动

也就是说，在这种外电场作用下，分子中的偶极子开始旋转起来，力图适应外电场的这种变化，但由于排列需要一定的时间（尽管这一时间很短），在重新排列的过程中总是不能同步地旋转，会产生一定的时间滞后（相当于惯性作用），于是就会出现下列几种情况：

（1）当频率较低时，这种旋转完全跟得上外电场的变化，因此在偶极子旋转过程中相互摩擦引起的损耗较小；当频率变得很高时，偶极子完全跟不上外电场的变化，只好在原处保持不动，这时的摩擦损耗也趋近于零。只有在频率的某一特定范围内，这种转向损耗才会达到一个最大值。

（2）对于单原子、双原子及具有对称结构的多原子气体，都是各向同性的介质，在常温常压下，分子间距大，相互作用小，因此是一种非极性介质，只存在光频段的电子极化，不存在离子极化和转向极化，在微波波段介质损耗可以忽略不计。

（3）对于液体和固体来说，要看它们分子的尺寸和对称性。存在电荷对称中心的分子，如氩、碳、四氯化碳、四氟化碳、甲烷、丙烯等都是非极性分子，因此没有偶电矩，这些材料在微波电磁场中是不会被加热的。此外，像聚乙烯、聚四氟乙烯、石蜡、地蜡、玻璃、陶瓷、云母、聚异丁烯、未硫化的橡胶、矿物油等也都是非极性物质，但是像水、酒精、尿素、丙酮、动植物胶、血红蛋白、丙种血清拟球蛋白等都是极性分子，它们没有电荷对称性，因而呈现出很强的偶电矩。在固体材料中，像聚氯乙烯、纤维、酚醛树脂等都是极性材料，在微波电场作用下，它们会呈现出很高的介质损耗。

作为家用微波炉里使用的微波餐具就应当选用像聚乙烯、聚丙烯、玻璃、陶瓷这类无毒低损耗的非极性介质材料来做，当然，各种家用瓷具（只要不镶金银边、表里不印彩画上釉）都可作为优选的对象。

讲到这里，大家可能明白了这样一个事实：利用微波来加热物料，有一个前提，这就是该材料必须是极性或强极性的介质，像金属导体材料或其他非极性材料，甚至是弱极性材料都是很难用微波来加热的。好在目前工农业产品中，大多数物料都含有不同程度的水分，如木板、皮革、棉纱、布匹、纸张、烟草、茶叶、粮食……这些物料在微波作用下是能很好吸收微波功率的。正是由于这种微波的“热效应”，使它目前在工农业生产、科学技术研究、医疗卫生事业中都得到了广泛的应用。