微波是電磁波的一個(gè)頻段，波長(zhǎng)在1毫米和1米之間，我們首先從電磁波的發(fā)展史談起，再討論電磁波的學(xué)理和主要頻段，然后談?wù)勎⒉ǖ母鞣N應(yīng)用，并挑幾個(gè)與臺(tái)灣有關(guān)的應(yīng)用來(lái)做說(shuō)明，最后介紹微波爐及微波加熱的原理。

電磁波的學(xué)理

　　電磁波發(fā)展史中最重要的兩個(gè)人是法拉第和馬克士威爾，這兩人都堪稱物理學(xué)家的前10名，他們最主要的貢獻(xiàn)就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經(jīng)由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了「法拉第定律」：隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。例如把磁鐵通過(guò)線圈，線圈上就會(huì)感應(yīng)出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因?yàn)樵谶@之前只知道一種方法可以產(chǎn)生電場(chǎng)，就是電荷，而法拉第發(fā)現(xiàn)了另一種產(chǎn)生電場(chǎng)的方法。

　　在發(fā)現(xiàn)法拉第定律的同年，馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個(gè)重要的理論：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這又是一個(gè)劃時(shí)代的里程碑，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)只知道電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)。馬克士威爾的學(xué)說(shuō)因?yàn)槭峭评恚?/span>1879年他去世前都沒(méi)有被接受，一直到了1887年赫茲用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，馬克士威爾的理論才終于獲得證實(shí)！

　　當(dāng)時(shí)大家只知道光是波，光的波動(dòng)現(xiàn)象可以用干涉儀探測(cè)出來(lái)，但不知道光究竟是什么東西。馬克士威爾說(shuō)光波就是電磁波，由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的，可是因?yàn)樘珓?chuàng)新，以至于抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是，分別發(fā)現(xiàn)一個(gè)嶄新的方法產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

　　在這里我們用質(zhì)塊和彈簧來(lái)比擬電磁波的振蕩現(xiàn)象。彈簧上綁一質(zhì)塊，把彈簧自平衡位置移開(kāi)，便有位能產(chǎn)生，松手后位能逐漸變成動(dòng)能，在動(dòng)能最大位能最小的時(shí)候，動(dòng)能開(kāi)始化為位能，最后又全部變成位能。下半個(gè)周期開(kāi)始相同的循環(huán)，所以彈簧和質(zhì)塊的振蕩就是動(dòng)能和位能之間的相互轉(zhuǎn)換。

　　相同的道理可應(yīng)用在具有一個(gè)電容器和一個(gè)電感器的電路上。電容器充電后，接通電路，由于電容器上的正負(fù)電荷造成電壓，所以有電流，電流流過(guò)電感器就產(chǎn)生磁場(chǎng)。這時(shí)電容器內(nèi)的電場(chǎng)能量隨電荷減少而變小，當(dāng)電荷流光時(shí)，電場(chǎng)也沒(méi)有了，能量全部變成磁場(chǎng)能量。磁場(chǎng)最大時(shí)電流也最大，可是因?yàn)殡娏饕恢痹诹?，無(wú)法一下子降為零，于是又有電荷流到電容處，然后磁場(chǎng)能量又逐漸變回電場(chǎng)能量，最后全部變成電場(chǎng)能量。下半個(gè)周期又開(kāi)始相同的循環(huán)，這是一種電磁振蕩的現(xiàn)象，赫茲就是用這方法產(chǎn)生電磁波。

　　總結(jié)這兩種振蕩形式，可看出一個(gè)振蕩現(xiàn)象的通則：

　　能量形式一、能量形式二

　　由這個(gè)通則可以看出振蕩需要有兩種儲(chǔ)存能量的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧機(jī)械震蕩的能量?jī)?chǔ)存機(jī)制是動(dòng)能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量?jī)?chǔ)存機(jī)制是電場(chǎng)及磁場(chǎng)。此外，還需要有能量交換的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機(jī)制是彈簧的復(fù)原力，LC振蕩器的能量交換機(jī)制是電流和電荷。

　　電磁波雖然也是借著電場(chǎng)和磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量，但能量交換的機(jī)制則截然不同，是藉由電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)間變化來(lái)交換。電磁波由于不需要藉由電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不需要透過(guò)電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，因此可以存在于沒(méi)有介質(zhì)的空間，例如外層空間。

　　赫茲利用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，其過(guò)程是在振蕩時(shí)，用電感耦合出一部分能量，經(jīng)傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也會(huì)累積電荷，于是也產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)在天線處產(chǎn)生，兩者大致相互垂直，之后便根據(jù)馬克士威爾及法拉第的理論相互變換，形成了電場(chǎng)和磁場(chǎng)完全垂直的電磁波，并以光速傳播出去。

電磁波的主要波段

　　電磁波的頻率，從幾個(gè)赫茲（1赫茲等于每秒鐘振蕩1次的頻率，用Hz表示）以下，一直到1024 赫茲以上，范圍可以說(shuō)很廣。整個(gè)頻譜區(qū)可大致分為長(zhǎng)波、無(wú)線電波（無(wú)線電波中包括了微波），還有紅外線、可見(jiàn)光、紫外線，接著還有X光、γ射線等。

　　有一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，就是水對(duì)電磁波的吸收系數(shù)與頻率之間的關(guān)系。大氣里有很多水蒸氣，在很窄的可見(jiàn)光頻段，水的吸收系數(shù)就像峽谷一樣，突然下降1～100億倍，讓大氣像是有一扇窗戶，使太陽(yáng)光能夠穿透水蒸氣到地面來(lái)。假如沒(méi)有這么一個(gè)神奇的大峽谷，現(xiàn)在的地球會(huì)是一片黑，沒(méi)有植物也沒(méi)有光合作用，能量都沒(méi)有了，吃的東西、燒的汽油通通不存在，當(dāng)然我們也都不存在！所以水對(duì)電磁波的吸收系數(shù)看來(lái)像是一個(gè)自然奇景，是其它物質(zhì)所沒(méi)有的，幾乎像是超自然的力量所設(shè)計(jì)的。

　　再來(lái)談?wù)劦皖l波段。60 Hz是每秒鐘振動(dòng)60次的低頻，跟我們很有關(guān)系，這是家用電所使用頻段，高壓線就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線如何傳輸能量呢？

　　它是借著電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳輸能量。高壓線的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電壓差會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)正好互相垂直，因此可以傳輸能量。這樣看來(lái)，高壓線的四周像是一條電磁場(chǎng)的大洪流，反而是高壓線的里面不能傳輸能量。高壓線要擺這么高的原因不僅是因?yàn)榕龅骄€會(huì)有危險(xiǎn)，而是一進(jìn)到電磁場(chǎng)的洪流區(qū)就很危險(xiǎn)。

　　除了高壓線外，只要是傳播訊號(hào)或傳輸能量的電線，都利用相同的原理。汽、機(jī)車(chē)的電瓶是直流電，但是直流電線中也有電壓及電流，電場(chǎng)、磁場(chǎng)也是互相垂直的，照樣可以傳輸能量。

微波的應(yīng)用

　　說(shuō)完了微波兩側(cè)的光波和低頻波之后，開(kāi)始進(jìn)入另一個(gè)主題：微波的應(yīng)用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個(gè)與通訊及雷達(dá)有關(guān)的頻段。

　　光纖通訊利用光波，除此之外，就是無(wú)線電波。無(wú)線電波頻段里面有中波，由早期的收音機(jī)所使用，還有短波、AM、FM、及VHF電視頻道等波段，而其中最重要的一段是微波，這是通訊和雷達(dá)最主要的頻段。國(guó)際組織把無(wú)線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規(guī)定了軍事設(shè)備使用的頻道，不然就會(huì)彼此干擾，所以軍用設(shè)備、民用設(shè)備、衛(wèi)星、電視等等，都各有劃定好的頻道。太空通訊又有往上及往下的頻道，都與地面通訊所用的頻道不一樣。

　　接下來(lái)談?wù)勅粘Ｍㄓ崱ｋ娨暠硌菀偷竭h(yuǎn)處播放，需要在地面轉(zhuǎn)接，一個(gè)轉(zhuǎn)接站收到訊號(hào)后，再把它放大傳送到另一個(gè)轉(zhuǎn)接站，最后送到接收地的電視臺(tái)播放，也可以經(jīng)過(guò)衛(wèi)星送到更遠(yuǎn)的地方。越洋電話、電信也是經(jīng)過(guò)衛(wèi)星送出訊號(hào)，所用的都是微波。

　　再說(shuō)到國(guó)防系統(tǒng)，這當(dāng)然也是絕對(duì)重要的。以美國(guó)為例，全球美軍24小時(shí)都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機(jī)、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著衛(wèi)星通訊串在一起。此外，每一艘作戰(zhàn)船上面都有各種雷達(dá)及通訊設(shè)備，光是微波發(fā)射器就數(shù)以百計(jì)，新型戰(zhàn)機(jī)上面也有好幾十個(gè)，發(fā)揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測(cè)、導(dǎo)航、干擾、火力控制等等。

　　例如飛行中的飛彈，要擊中目標(biāo)，需要雷達(dá)導(dǎo)航，作戰(zhàn)的飛機(jī)要射出訊號(hào)干擾敵方的雷達(dá)，讓敵方的雷達(dá)無(wú)法抓住它的位置，聰明一點(diǎn)甚至還可以發(fā)出欺騙訊號(hào)，讓敵方雷達(dá)把它的位置搞錯(cuò)，結(jié)果浪費(fèi)一顆飛彈。飛機(jī)和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰(zhàn)車(chē)等等，也是類(lèi)似的情形。

　　所以說(shuō)微波對(duì)我們的影響非常大。軍艦、戰(zhàn)機(jī)保護(hù)我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現(xiàn)在幾乎每個(gè)人都在撥打手機(jī)，就是微波在幫我們服務(wù)。

國(guó)內(nèi)相關(guān)的微波研究

　　接下來(lái)談?wù)剮讉€(gè)跟國(guó)內(nèi)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用例子。筆者在清華大學(xué)專(zhuān)門(mén)研究高功率微波，而國(guó)內(nèi)進(jìn)行這方面研究的團(tuán)隊(duì)極少，所以就用清華大學(xué)的工作舉例。先從微波的產(chǎn)生談起，清華大學(xué)的「高頻電磁實(shí)驗(yàn)室」跟中科院合作，一起研制微波發(fā)射器，經(jīng)過(guò)多年的努力，制造出一系列的微波發(fā)射器。我們發(fā)展的一些技術(shù)，一個(gè)一個(gè)都要從頭建立。

　　例如要產(chǎn)生微波，首先要用電子鎗產(chǎn)生電子流，然后把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發(fā)射器里面的核心組件，計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)后，要做工程設(shè)計(jì)，再來(lái)是精密加工，制造各種零件，然后焊接起來(lái)。其它各種各樣的組件制造流程也一樣，最后把全部組件焊接成一個(gè)發(fā)射器，里面的接觸面超過(guò)100個(gè)以上，在不同的溫度一次又一次地焊，只要一次出錯(cuò)，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測(cè)試，如果不合格，又是前功盡棄。

　　制程中需要一再地焊接，是因?yàn)榘l(fā)射器中必須保持高真空，以免電子碰撞到氣體，如同真空管一樣，因此這種高功率微波發(fā)射器，通常簡(jiǎn)稱為「微波管」。由于微波管的制造如此不易，頻率越高又越困難，在先進(jìn)國(guó)家，毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點(diǎn)，也就在毫米波段，所以這項(xiàng)工作，對(duì)我們的國(guó)防相當(dāng)重要。

　　前面提到的都是已經(jīng)成熟的技術(shù)，微波是二次世界大戰(zhàn)時(shí)開(kāi)始發(fā)展的，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)界，是非常成功的一項(xiàng)研究，但也需要不斷的創(chuàng)新。清華大學(xué)主要是在「磁旋行波放大器」及「單陽(yáng)極磁控電子鎗」這一類(lèi)的研究上面鉆研，所研創(chuàng)的磁旋行波放大器能夠把一個(gè)訊號(hào)放大1,000萬(wàn)倍，不論在功率、效率、增益或頻寬上，都超越了傳統(tǒng)的極限，在應(yīng)用上帶來(lái)了新的契機(jī)。

　　像美國(guó)這樣的先進(jìn)國(guó)家，已準(zhǔn)備把磁旋行波放大器應(yīng)用到太空科技上。美國(guó)有不少太空偵測(cè)設(shè)施，里面有各種各樣的雷達(dá)偵測(cè)太空對(duì)象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛(wèi)星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非?？?，宇宙飛船一不小心被打到，就會(huì)像中了炮彈一樣，只是碎片的密度還不高，被打中機(jī)會(huì)不大。碎片有大有小，要看到1公分大小的太空碎片，就必須用磁旋行波放大器這一類(lèi)的新設(shè)備。

　　再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項(xiàng)應(yīng)用為例，這項(xiàng)應(yīng)用和工研院合作的很密切，是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐，用的是一個(gè)封閉的作用腔，而現(xiàn)在用的掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔是一個(gè)光學(xué)式作用腔，有如一個(gè)聚焦鏡，微波射進(jìn)去后聚焦，就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，用來(lái)處理材料。一般處理材料用的微波爐，功率大概是二、三千瓦，但在這個(gè)作用腔中，只要幾十瓦就可以看到效果了。這是一個(gè)新的方法，正在申請(qǐng)專(zhuān)利，希望這個(gè)設(shè)備能夠給我們的研究工作帶來(lái)一些突破。

　　這個(gè)計(jì)劃的目的之一是要制造新一代、可扭曲式的電子模塊，它既是紡織品又是電子模塊，包含一個(gè)底層及上面的功能層，所以制造時(shí)需要把不同的材料層結(jié)合在一起。結(jié)合的過(guò)程從粉末開(kāi)始，上層要加熱到上千度的高溫才能融合在一起，但是底層是另一種材料，具有另一種功能，因此底層的溫度不能太高，太高的話就被會(huì)燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結(jié)合在一起，必須快速加熱。

　　構(gòu)思的方法是上層用吸波快的粉末，因?yàn)槲?，可以立刻熱到一千多度，很快就完成了致密的融合，而底層還在五、六百度的熔點(diǎn)之下。做這樣的工作不能用一般的高溫爐，因?yàn)樵谝话愕母邷貭t中溫度都一樣，沒(méi)辦法達(dá)到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因?yàn)檫€不夠快。在我們?cè)O(shè)計(jì)的「掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔」中，就可以很快地完成，可是只能在一個(gè)小聚焦點(diǎn)上完成，如果需要的產(chǎn)品是一塊布料那么大的，就要放在一個(gè)移動(dòng)式機(jī)械平臺(tái)上，進(jìn)行二維掃描，連續(xù)地處理。

　　微波除了用在通訊、雷達(dá)及材料處理之外，還可用在加速器。加速器的核心是一個(gè)高頻共振腔，電子或離子在里面被電場(chǎng)加速。臺(tái)灣有一個(gè)相當(dāng)具有代表性的加速器，這個(gè)加速器位在新竹科學(xué)園區(qū)的同步輻射研究中心，內(nèi)有加速環(huán)及儲(chǔ)存環(huán)各一個(gè)，用的是500 MHz的微波。

　　加速環(huán)把電子加速到1.3 GeV，速度已經(jīng)是0.999999的光速，送到儲(chǔ)存環(huán)里面轉(zhuǎn)七、八個(gè)鐘頭，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)輻射出很強(qiáng)、頻率接近X射線的光。儲(chǔ)存環(huán)外的周?chē)?，擺了各種的儀器進(jìn)行科學(xué)或工業(yè)應(yīng)用研究，在每一個(gè)轉(zhuǎn)彎處都引出3道光，可做3組實(shí)驗(yàn)，一圈共可做18組實(shí)驗(yàn)，這是同步輻射研究中心的大概情況。

　　電子在加速環(huán)里轉(zhuǎn)的時(shí)候，每經(jīng)過(guò)一次高頻共振腔，就被踢一腳，加速一點(diǎn)，從慢速度變成非常高的速度。送到儲(chǔ)存環(huán)之后，在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)輻射出光，耗損能量，儲(chǔ)存環(huán)里頭也有兩個(gè)高頻共振腔，每經(jīng)過(guò)一次就補(bǔ)充能量，好像加油站一樣。

　　電子在儲(chǔ)存環(huán)里頭，每秒鐘走3百萬(wàn)圈，要走8個(gè)鐘頭不碰到墻，可見(jiàn)這個(gè)技術(shù)需要相當(dāng)精確的計(jì)算。比如說(shuō)光速是3×1010 cm／sec，對(duì)不對(duì)？這個(gè)數(shù)據(jù)不是很好，因?yàn)樵谕捷椛溲芯恐行娜绻压馑佼?dāng)成3×1010 cm／sec，這個(gè)1億美金的設(shè)備就要泡湯了。在那里光速要用2.9979×1010 cm／sec，這其實(shí)還不是精確的光速，光速的精確值在后面還有好多個(gè)位數(shù)，只是加速器計(jì)算的精確度到小數(shù)第4位即可。

　　加速環(huán)里的高頻共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里頭還有各式各樣的磁鐵，可以讓電子轉(zhuǎn)彎，并自動(dòng)修正軌道的偏差。電子要在儲(chǔ)存環(huán)里面轉(zhuǎn)那么久而不碰到東西，里面的真空度必須非常高，所以到處都是真空泵，另外還有電源供應(yīng)器等等，這就是加速器大致的構(gòu)造。

　　電子在儲(chǔ)存環(huán)輻射出來(lái)的光，要做各式各樣的處理，因此需用到很多的設(shè)備，也就構(gòu)成一個(gè)龐大的實(shí)驗(yàn)站。在同步輻射研究中心里，這樣的實(shí)驗(yàn)站一圈下來(lái)將近有20個(gè)左右，但還是有很多人排隊(duì)等著做實(shí)驗(yàn)。這個(gè)光源，全臺(tái)灣很多學(xué)校都在用，大約有幾十個(gè)機(jī)構(gòu)、一兩百個(gè)研究小組，有些還來(lái)自國(guó)外。

　　加速器除了產(chǎn)生輻射之外，我們還可以用里頭的高能粒子發(fā)掘宇宙的奧秘。比如原子核里面是什么？原子核里面的質(zhì)子又是什么？固然有一些奧秘是理論可推論的，但必須用實(shí)驗(yàn)證明后大家才相信。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把一個(gè)帶電粒子加速到很高的能量，并用它來(lái)把另一個(gè)粒子打散掉，以產(chǎn)生各式各樣的其它粒子，比如產(chǎn)生夸克等。科學(xué)家就可以說(shuō)我們看到了理論預(yù)測(cè)到的，或者看到了理論沒(méi)有預(yù)測(cè)到的。

　　丁肇中先生在二、三十年前看到一個(gè)理論預(yù)測(cè)到的粒子，得到諾貝爾獎(jiǎng)，用的就是加速器。但這種應(yīng)用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長(zhǎng)達(dá)幾十公里，有千百個(gè)高頻共振腔，可見(jiàn)現(xiàn)代的加速器有多復(fù)雜。光是從粒子加速器這個(gè)應(yīng)用，大家就可以想象微波對(duì)科學(xué)研究有多大的重要性。

　　再回頭來(lái)說(shuō)高頻共振腔，就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進(jìn)高頻共振腔里，就會(huì)激發(fā)共振膜產(chǎn)生電場(chǎng)，電子進(jìn)來(lái)的時(shí)候會(huì)被電場(chǎng)加速。這里用的頻率是500 MHz，也就是每秒中振動(dòng)5億次、改變方向5億次，在改變方向以后，再進(jìn)來(lái)的電子，不但不加速反而還減速，因此在加速器里面，電子一定是一團(tuán)一團(tuán)的，中間有一減速時(shí)段是沒(méi)有電子的，時(shí)間算好了，電子一來(lái)就被加速。500 MHz是微波的低頻邊緣，屬于UHF頻段。
高頻共振腔和很多其它附帶器件構(gòu)成一個(gè)高頻系統(tǒng)，其中有一個(gè)速調(diào)管，這是電視臺(tái)所用的微波源，產(chǎn)生60千瓦的功率，其它還有冷卻系統(tǒng)、微波循環(huán)器、控制系統(tǒng)、同軸傳輸線等。60千瓦那么高的功率相當(dāng)于三、四十臺(tái)冷氣機(jī)，到處都會(huì)留下熱，所以高頻系統(tǒng)的各個(gè)地方都需要冷卻，要是不冷卻，馬上就燒掉。因此只要有哪個(gè)地方不對(duì)，控制系統(tǒng)就會(huì)在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)下令自動(dòng)停機(jī)。

　　微波循環(huán)器是用來(lái)保護(hù)速調(diào)管的，高功率微波射出后萬(wàn)一反射回來(lái)，絕不能讓它回到原來(lái)的地方，這就好像一門(mén)大炮射出炮彈，如果反射回到炮口，是會(huì)吃不消的。當(dāng)然炮彈發(fā)生這種情況的機(jī)會(huì)并不存在，但是微波發(fā)生的機(jī)會(huì)就多了，通路一有不對(duì)，馬上就沿原路回來(lái)，循環(huán)器能讓它回來(lái)時(shí)走另一條路，被吸波材料吸收，這時(shí)候就不會(huì)造成傷害了。

微波加熱的原理

　　最后介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的，和我們的關(guān)系也很密切。也許大家還沒(méi)想到，跟各位關(guān)系最密切的不是微波爐里的微波，而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱，就是電磁波，其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個(gè)作用腔，是個(gè)用金屬封閉的箱，微波射進(jìn)去加熱食物。箱上有一個(gè)可看進(jìn)去的窗口，可是微波漏不出來(lái)。其它還有磁控管、高壓電源、風(fēng)扇、波導(dǎo)管等，這是整個(gè)微波爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

　　磁控管是微波爐里面最主要的器件，它是一個(gè)微波發(fā)射器。因?yàn)榇趴毓芸蓱?yīng)用在家用的微波爐中，產(chǎn)量動(dòng)不動(dòng)就是幾百萬(wàn)個(gè)，這里面的商機(jī)就很多，而最尖端雷達(dá)所使用的磁控管通常賺不了錢(qián)，因?yàn)樾枰砍３Ｖ皇且粌蓚€(gè)，所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產(chǎn)品。加速器也是一樣，要找人做還得四處拜托，因?yàn)榱刻贈(zèng)]利潤(rùn)。現(xiàn)在為了競(jìng)爭(zhēng)，磁控管可以做到一個(gè)不到10元美金，量產(chǎn)能使價(jià)格便宜到這種程度，相當(dāng)不可思議，而太空偵測(cè)用的微波管可能一個(gè)要價(jià)百萬(wàn)美金，簡(jiǎn)直不成比例。

　　微波加熱是利用什么原理？這就得談到水。水是一個(gè)很奇特的分子，前面講到水在吸收電磁波時(shí)，竟然在可見(jiàn)光頻段有那么一個(gè)大峽谷。同樣神奇的是，水一直冷縮到攝氏4度，然后在攝氏4度以下開(kāi)始膨脹，這又是少有的。假如水在攝氏4度以下繼續(xù)冷縮，水面結(jié)成的冰就會(huì)沈到水底，明年夏天來(lái)時(shí)，因?yàn)楦袅四敲瓷畹囊粚铀椎谋鶡o(wú)法融掉，然后冬天來(lái)了，又有一堆冰沈下去，大概幾十年后整個(gè)湖都是冰，即使夏天也一樣。生物是從水里發(fā)展出來(lái)的，如果水沒(méi)有這個(gè)特性，可能就不會(huì)有生物，也沒(méi)有人類(lèi)。

　　為什么水和微波爐的關(guān)系這么密切？因?yàn)樗肿恿硗膺€有一個(gè)特性：它天生就有電偶極。在水中，水分子的電偶極通常排列很紊亂，微波爐作用時(shí)，作用腔內(nèi)就有電場(chǎng)產(chǎn)生，水分子在電場(chǎng)中受到力矩作用，電偶極就會(huì)朝著電場(chǎng)方向排列，電場(chǎng)方向不斷改變時(shí)，水分子的方向也就一直跟著改變，不斷地打轉(zhuǎn)。

　　是否每打一個(gè)轉(zhuǎn)就增加一點(diǎn)能量呢？這倒不見(jiàn)得。例如船在水波上面，每來(lái)一個(gè)波峰，船就上升一點(diǎn)，波峰過(guò)后船又下降，下一個(gè)波峰來(lái)了，又做相同的動(dòng)作，一再重復(fù)相同的動(dòng)作，船的能量并沒(méi)有一直增加。這個(gè)道理運(yùn)用到水分子的轉(zhuǎn)動(dòng)上也是一樣，能量不會(huì)一直增加，所以并沒(méi)有加熱。要加熱，水分子周?chē)仨氁袞|西，這樣才能在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，因彼此之間碰撞而加熱。

　　比如一塊肉，電磁波讓里面的水分子轉(zhuǎn)動(dòng)，去擠動(dòng)旁邊肉的組成分子，這時(shí)就能加熱。如果全是一杯水也可以，只要水分子之間互相擠動(dòng)就會(huì)變成熱能。我們都清楚，熱能就是亂無(wú)次序的動(dòng)能，在空氣里頭的熱能就是如此。風(fēng)的動(dòng)能就不叫熱能，因?yàn)轱L(fēng)是往同一個(gè)方向吹，是有序的動(dòng)。水分子在電場(chǎng)里一起有序的動(dòng)，也不是熱能，能量還可以再回傳給電場(chǎng)?？墒钱?dāng)水分子和其它分子擠在一起動(dòng)的時(shí)候，相互擦撞，這時(shí)大家的方向就亂了，變成了熱能，這就是微波爐的加熱原理。

　　微波加熱不但要使微波能進(jìn)到食物里面，還要能被吸收。頻率太低，大部分都穿透過(guò)食物，頻率太高，在食物表面上就被吸收，進(jìn)不到里面，微波加熱的頻率（大都是2.45 GHz）就是在這個(gè)條件下所選擇的，這是微波爐專(zhuān)用的頻率，所以不會(huì)干擾通訊。由于微波能進(jìn)到食物里面，同時(shí)加熱各處，所以加熱速度快。此外，金屬作用腔壁吸熱慢，溫度不高，散熱少，這種加熱方法效率高達(dá)50％左右，比傳統(tǒng)烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。

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