我们可能都经历过这样的场景：下班回到家，把昨晚的剩菜放在微波炉里，坐下来准备吃一顿简餐，结果却发现吃到的食物一口滚烫，一口冰冷。这样的经历不止一次促使我思考:为什么微波炉对食物的加热会这么不均匀？
微波加热的物理原理
微波是一种高频电磁波。微波炉中用来加热食物的微波波长约为 12.23cm，频率为 2.45GHz。电磁波产生振荡的磁场和电场，激发磁场中的分子，从而产生热量。
有多种不同的因素会导致令人不快的微波加热体验。首先，一顿饭中的不同成分通常具有不同的能量吸收率。非常明显的一个例子是在重新加热一个包子时——包子馅吸收热量的速度比包子皮快得多，使得包子馅是热的，而外面的包子皮冰冷。这是因为含水量较高的食物吸收微波能量的效率较高，而含水量较低的食物吸收热量较慢，导致加热不均匀。这是由于水分子中存在偶极子，使得分子的正负两端在振荡电磁场中来回转换。正因为如此，我们还会注意到液态水比冰加热的速度更快，因为液态分子比冰中的分子移动更自由，产生更多的碰撞，从而产生更多的热量。
微波炉加热不均匀的另一个原因来自烤箱内部复杂的振荡模式。下面，我们使用 COMSOL 仿真来仔细研究微波加热食物背后的物理原理，从中我们可以了解加热过程中发生的电磁场和热传递。
微波加热模拟
首先，我们可以设置微波炉的几何结构。在我们的模拟中，微波炉被设置为一个连接到 500W、2.45GHz 微波源的铜盒，
然后，通过位于 烤箱右上角的波导将微波引向烤箱的中心。底部装有放置食物的玻璃板。为了使我们的分析简单，我们可以看一下加热是如何在均匀食物（例如土豆）中发生的。微波炉、波导、玻璃板和土豆的几何结构如下所示。由于模型存在镜像对称性，因此我们只需要建模一半的几何图形。
微波炉、波导、玻璃板和土豆的几何形状。由于镜像对称，几何图形被缩小。
在模拟中，从土豆的底部切下一块，以使放在盘子上的土豆保持稳定性。这种切割也有助于建立有限元网格，允许在土豆与板接触的区域中进行详细分析。通过使用阻抗边界条件计算来自微波炉和波导铜壁的电阻性金属的热损失，虽然损失很小。
当我们向土豆输入微波辐射时，土豆就像一个共振腔，将一些电磁场捕获在里面。转移到土豆上的能量（即耗散功率）大约是辐射源释放能量的 60%。其余的能量通过端口反射回来。从下面的模拟中可以看出，谐振腔在土豆的中心产生了一个峰值，在此处耗散功率最高。
马铃薯内部耗散的微波功率分布。注意土豆中心的峰值。
这个微波场引起土豆内部的加热。5 秒钟过后，我们可以看看土豆内部产生的热量。在模拟中，我们可以观察到，只有土豆的中心在 5 秒钟后开始加热。此外，由于土豆的低热导率，热量仍然集中在中心，而没有扩散。这导致了我们在微波炉中加热食物时有时会得到食物中心热外部冷的结果。
加热 5 秒钟后土豆的温度分布。
如果我们继续加热土豆更长时间，土豆的中心温度最终会达到沸点，蒸汽会形成并向外扩散，加速热量传递，并随着它的干燥降低中心的功率耗散。这将在温度接近 100℃ 时发生，尽管土豆内部不断上升的局部压力可能会增高沸点。然而，当过热到一定程度时，就会发生一次或几次微爆炸，打开通向马铃薯外部的蒸汽通道。任何尝试过微波处理土豆泥或浓汤的人都可能经历过这些微爆炸，并亲眼见证了它们对微波炉内部的影响（土豆泥四溅……）。虽然上面讨论的模拟不包括这些非线性效应，但它可以作为包括这些和其他效应的更复杂模拟的良好起点。
微波炉中的驻波
导致土豆受热不均匀的机制也在整个微波炉中发挥作用。共振电场的形状由微波炉内部大小不同的电场强度斑点的图案。这些斑点是由驻波引起的。驻波是由于电磁波相互叠加时在烤箱中来回反射而产生的。出现驻波会导致微波中出现电场强度高低分布的斑点图案。使用上面相同的几何结构，我们可以分析这些驻波:
微波中驻波的位置。
旋转位于微波炉底部的玻璃板，将土豆放在板的边缘，而不是中间，可以减轻高强度斑点导致加热不均匀的问题。通过上图，我们可以看到旋转是如何通过斑点移动食物的。
拓展资源
- COMSOL 案例库中下载微波炉模型
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