電子レンジのマイクロ波は、なぜ水に同調するのか?

Category: 物理学 掲載 2014年10月15日

microwave oven

Public Domain Image、ソースはこちらです。 Christopher S. Baird

電子レンジのマイクロ波は、水の共振周波数に同調しているわけではありません。 実は、電子レンジの中で発生するマイクロ波は広帯域であるため、特定の共振周波数に同調しているわけではありません。 広帯域の電磁波には多くの周波数が含まれています。 特定の周波数に同調させるためには、単色波(単一周波数に近い波)が必要なのです。 レーザー光線は単色波です。 単純なアンテナからの電波は単色である。

電子レンジのマイクロ波は、マグネトロンという共振器によって、電流を高周波で自然発振させ、電磁波を発生させることで作られています。 マグネトロンに流れる電流の発振は、微妙に制御された外部回路によって引き起こされるものではない。 陰極から放出された電子が陽極にランダムにぶつかり、マグネトロンの形状の指示通りにドロドロと流れることで自然に発振しているのです。 このランダム性により、マグネトロンからは多くの周波数が発振されます。 さらに、発振の発生がランダムであるため、周波数が不安定ですぐに飛び交ってしまうという問題もある。 Michal Soltysiak、Malgorzata Celuch、Ulrich Erleが行った一般家庭用電子レンジの研究(IEEEのMicrowave Symposium Digestに掲載)は、電子レンジの周波数スペクトルに2.40〜2.50GHzに及ぶいくつかの広いピークがあることを発見しました。 さらに、周波数スペクトルのブロードピークの位置、形状、数さえも、加熱するオーブンの中にある物体の向きに依存することを発見したのです。 つまり、オーブンを満たす電磁波に含まれる正確な周波数は、食品そのものの細部に依存するのである。 食品を加熱するたびに周波数が変化するのでは、マイクロ波を特定のものに同調させることができないのは明らかだ。 レーダーイメージングなど、安定した単色性が重要な用途では、マグネトロンの有用性は限られる。

では、水の特定の共振周波数に同調していない場合、オーブンのマイクロ波はどのようにして食品を加熱するのでしょうか。 それは、単純な誘電加熱によって食品を加熱しているのです。 誘電加熱では、電磁波の電場が食品中の分子に力を及ぼし、分子を電場に合わせて回転させます。 この回転運動により、分子同士が衝突し、秩序だった回転運動が乱れた運動に変換され、これをマクロ的に熱と呼ぶ。

書籍『Electromagnetics Explained』(Ron Schmitt 著)では、次のように述べられています:

電子レンジは水分子の特別な共鳴で作動すると説明する俗説があります。 実際には、この神話は単なる神話にすぎません。 図15.2を参照すると、この周波数では水の共振がないことがわかります。 最初の共振ピークは1THz以上で発生し、最も損失が大きいのは赤外線のかなり上です。 2.45GHz は、FCC によって電子レンジの使用に許可されていることを除いて、特別な意味はありません。

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