In daily life, the heating methods we are very familiar with are mostly heat conduction or heat convection. Stellen Sie einen Eisentopf auf ein heißes Feuer. Die Wärmeenergie der Flamme wird zunächst auf die Metallatome am Boden des Topfes übertragen und dann vom Metall auf die Oberfläche des Lebensmittels in der Nähe des Topfbodens übertragen. The heat penetrates step by step into the center of the food. This heating mechanism from the outside to the inside often takes a long time.

The emergence of microwave ovens completely overturned this traditional kitchen thermodynamics law. Inside the microwave oven, there is no resistance wire or open flame that generates heat. Its core component is an electronic component called a magnetron. Wenn das Magnetron mit Strom versorgt wird, kann es elektrische Energie in elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz umwandeln und so einen Prozess der präzisen Kontrolle mikroskopischer Partikel im Inneren von Lebensmitteln in Gang setzen.

The frequency of the electromagnetic waves mentioned here is usually set at 2.45 GHz. Bei dieser spezifischen Frequenz können Mikrowellen leicht isolierende Behälter wie Glas, Keramik und Kunststoffe durchdringen und direkt in die Lebensmittel gelangen. To understand how electromagnetic waves heat food, we must focus on the most common ingredient in food: water. From a chemical structure point of view, water molecules are composed of one oxygen atom and two hydrogen atoms. Da die Anziehungskraft von Sauerstoffatomen auf Elektronen viel stärker ist als die von Wasserstoffatomen, weist die Elektronenverteilung innerhalb von Wassermolekülen ein gravierendes Ungleichgewicht auf. Oxygen atoms have a weak negative charge on one end, while hydrogen atoms have a weak positive charge on one end. Such molecules with positive and negative poles are defined in physics as polar molecules.

Polare Moleküle haben eine ganz besondere physikalische Eigenschaft: Sie passen ihre Anordnung wie die Magnetnadel eines Kompasses automatisch an, wenn sich die Richtung des äußeren elektromagnetischen Feldes ändert. Da die vom Magnetron emittierte Mikrowelle ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld ist, wechselt die Richtung seines elektrischen Feldes schnell 2,45 Milliarden Mal pro Sekunde. The water molecules in this high-frequency oscillating electric field completely lost their calm. They are forced to make billions of U-turns and flips per second as the direction of the electric field wildly switches.

In this wild dance of the microscopic world, countless water molecules collide, squeeze, and rub against each other. The principle of frictional heat generation in the macroscopic world also applies here. The huge microscopic kinetic energy generated by the violent movement of water molecules is quickly converted into heat energy. Diese Art von Wärme dringt nicht langsam von außen ein, sondern bricht tatsächlich rund um jedes Wassermolekül im Inneren des Lebensmittels aus und sorgt so für eine äußerst effiziente Gesamterhitzung.

Genau auf diesem einzigartigen Heizmechanismus beruhend, werden wir feststellen, dass Mikrowellenöfen große Unterschiede aufweisen, wenn sie mit verschiedenen Materialien konfrontiert werden. Ein Stück frisches, feuchtigkeitsreiches Fleisch lässt sich in kurzer Zeit zum Sieden erhitzen, aber ein völlig trockenes Stück Holz oder ein trockenes Papiertuch erhitzen sich in der Mikrowelle kaum, weil ihnen im Inneren genügend polare Moleküle fehlen, um mit dem elektromagnetischen Feld zu tanzen.

In contrast, if you put metal in a microwave, the situation becomes extremely dangerous. There are a large number of free electrons inside the metal. Hochfrequente elektromagnetische Wellen treiben diese freien Elektronen dazu, heftig auf die Metalloberfläche zu schlagen, erzeugen sofort einen starken Hochfrequenzstrom und ionisieren sogar die Luft am Rand des Metalls, wodurch grelle Funken ausbrechen. In severe cases, the magnetron may be destroyed or cause a fire.

The design of the microwave oven is an example of the application of modern physics to daily life. Es nutzt geschickt die inhärente Polaritätsschwäche von Wassermolekülen aus und nutzt unsichtbare elektromagnetische Wellen, um herkömmliche Hindernisse für die Wärmeübertragung im Weltraum zu überwinden. Jedes Mal, wenn wir den Startknopf eines Mikrowellenherds drücken, werden wir tatsächlich Zeuge eines fieberhaften Tanzes, an dem Dutzende Milliarden Wassermoleküle beteiligt sind. The most basic electromagnetic laws of nature are transformed into the steam on the table.