微波爐為什麼只會加熱
食物？
盤子不會變燙，但料理卻很熱。爐內也不會變熱，也沒有用到火。那麼，為什麼只有裡面的食物會變熱呢？答案是「讓水分子以極高的速度不停轉動」。而不能放金屬進去的原因，也是源自同一套原理。
把冷飯放進微波爐，加熱2分鐘。取出後，飯變熱了。但盛裝的盤子卻沒有那麼熱（只是被飯稍微傳熱而已）。
摸摸爐內的壁面，還是冷的。如果是烤箱，整個爐內應該會變熱，但微波爐不會這樣。也就是說，它並不是把熱「送進去」。
更奇怪的是，只放一個乾燥的盤子轉一圈，幾乎不會變熱。什麼東西會變熱、什麼東西不會。這條界線，正是這套原理的核心。
這條界線就是「是否含有水分」。
水分子的形狀，就像一個小磁鐵：一側偏正電，另一側偏負電。當它受到方向高速交替變換的電力作用時，分子會拚命不斷改變方向，彼此摩擦而發熱。
金屬裡的電子可以自由移動，一接收到電波，就會在表面大量流動。電流會集中在尖銳的部位，像是叉子的尖端或鋁箔的角，然後突破空氣變成火花。
換句話說，微波爐是「讓電力方向高速交替變換的裝置」。遇到水就變成熱，遇到金屬就變成火花。接下來依序來看。
為什麼只有水會變熱
水分子的形狀，是1個氧原子和2個氫原子排成彎折狀。因為這個形狀，產生了氧原子那一側偏負電、氫原子那一側偏正電的電荷分布。可以把它想成一個小磁鐵。
微波爐會在爐內製造出電力方向高速交替變換的狀態，速度是每秒24億5000萬次。
帶有電荷偏移的水分子，會試著轉向配合這個方向。但方向馬上又反轉了，於是它又想轉。方向又反轉了。水分子就這樣被不斷地甩來甩去。
在液態水中，分子彼此緊密相鄰。當所有分子都想轉動時，自然會互相碰撞。這種「摩擦」正是熱的真面目。
玻璃、陶瓷，以及大多數塑膠，幾乎沒有這種會被甩動的分子。所以容器不會變熱。只有含水的東西才會變熱。
常常會看到「微波爐的頻率，就是配合水分子共振的頻率」這種說法，但這其實是錯的。
水分子真正強烈共振的頻率，遠比這個高得多。反而正因為沒有共振才重要——如果真的共振了，電波會在食物表面就被全部吸收，根本傳不到裡面去。正因為只是一點一點被吸收，電波才能深入內部，讓整體都變熱。
那麼，為什麼選這個頻率呢？主要原因據說是這是國際上劃分給工業、科學、醫療用途的頻段，不會干擾通訊。這不是物理上的必然，而是一種協議上的選擇。
為什麼不能放金屬進去
金屬裡的電子可以自由移動。一旦受到電波照射，電流就會在金屬表面大量流動。
問題在於電流會集中在「尖銳部位」的特性。叉子的尖端、鋁箔折出的角、餐具上細細的金邊。電流一旦集中在這些地方，該處就會變得極強，強行突破空氣而迸射出來。這就是火花。
火花的溫度可達數千度。若延燒到爐內的紙張或食物，就會引發火災。
- 放入鋁箔、金屬串籤、叉子，或有金邊、銀邊的餐具
- 連殼加熱雞蛋，或直接加熱水煮蛋 ― 蛋裡的水分會瞬間變成蒸氣，無處可逃而爆裂。也曾發生取出後、才剛放進嘴裡就爆開的意外
- 只加熱水或咖啡太久 ― 有可能在沒有沸騰契機的情況下超過100℃（稱為突沸，沸點的原理請見這裡），一被移動就會瞬間劇烈沸騰而燙傷。加熱飲料時，不要加熱過久、不要一取出就立刻移動、放入攪拌棒之類的東西，都是有效的預防方法
- 整個容器密封、或連袋子一起加熱 ― 內部壓力升高會導致破裂
- 什麼都不放就啟動 ― 電波無處可去，會損壞機身
看起來很矛盾，但光滑寬闊的金屬面只會把電波反射回去。因為沒有會讓電流集中的尖銳部位，所以不會冒火花。正因為壁面是金屬，電波才不會外漏，而是在爐內反覆來回，被食物吸收。
爐門上的網格也有其意義。微波爐使用的電波，波長約為12公分。網格的孔洞遠比這小，所以電波無法穿過。另一方面，可見光的波長小了好幾個量級，因此能輕鬆穿過孔洞。這就是為什麼裡面看得到，電波卻出不來的原因。
另外，市售附鋁製容器的冷凍食品等，明確標示可用於微波爐的金屬製品，其形狀經過特別設計以避免冒火花。有標示的產品，請依照指示使用。
- 不要打開爐門。空氣一旦進入，火勢會瞬間擴大
- 停止運轉，拔掉電源插頭。切斷熱源是最優先的事
- 先觀察情況，等火熄滅後再打開爐門
- 如果火沒有熄滅、煙變多，或有延燒到周圍的跡象 ― 這時請立刻逃離並撥打119。若備有家用滅火器，在確保能安全撤離的前提下再使用
「好像快要撲滅了」的想法最危險。請不要勉強行動。
為什麼會出現加熱不均？
用微波爐加熱時，會出現熱的地方和冷的地方。這不是故障，而是電波本身的特性。
在爐內，電波會被壁面反射，去程的波和回程的波會互相重疊。這樣一來，強烈重疊的地方和互相抵消的地方，就會有規律地排列。強的地方容易變熱，弱的地方則不容易。
之所以會有旋轉盤，是為了移動食物、把強弱的地方平均化。即便如此還是會有不均，所以中途攪拌一次是最有效的方法。
冷凍食品特別難均勻加熱，是因為冰幾乎不吸收電波。只有先融化的部分會大量吸收電波，該處會越來越熱，而結凍的部分則一直維持冰冷。解凍模式之所以用較弱的輸出運轉，就是為了防止這種失控現象。
而是讓食物裡的水，自己產生熱的裝置。
在廚房就能驗證的事
- 取下旋轉盤（為了讓食物不移動。無法取下的機種做不了這個實驗）
- 在平盤上鋪滿巧克力，或放一片片狀巧克力
- 加熱約20〜40秒，直到表面有幾處開始融化為止
- 用尺量出融化處彼此的間隔。大約會落在6公分左右
- 計算間隔（公尺）× 2 × 2,450,000,000
若為0.061公尺，則0.061 × 2 × 2,450,000,000 ＝ 約2億9900萬 m/s。正是光速（約3億 m/s）。用廚房家電，竟然能測出宇宙中最快的速度。融化的地方就是電波的「強處」，其間隔正好是波長的一半。頻率大多會標示在機身上。請注意燙傷，不要加熱過久。
總結
微波爐之所以只能加熱食物，是因為它不是把熱送進去，而是讓水分子不停轉動，讓食物自己產生熱。金屬之所以不行，是因為同樣的電力集中在尖銳部位、變成火花。加熱的力量和產生火花的力量，其實是同一件事。
遇到水就變成熱，遇到金屬就變成火花。
這是同一種電波的兩種面貌。
想知道更多 ― 用語、公式，以及與教科書的關聯從國中理科到研究中的議題，都明確標示了程度等級
- 國中國中理化課程的範圍
- 高中高中「物理基礎」「化學基礎」課程的範圍
- 高中＋高中「物理」「化學」，或教科書中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（電磁學・介電物性）的內容
- 研究連大學也還沒當作「定論」教授、研究者目前仍在探究的話題
國中用語：關於微波爐的詞彙
- 微波：電波的一種。微波爐使用的是2.45 GHz（gigahertz，十億赫茲）＝ 每秒振動24億5000萬次的電磁波，波長約12 cm。
- 極性分子：像水這樣，分子內部存在電荷偏移的分子。沒有電荷偏移的分子（如油的主要成分），用微波比較不容易變熱。
- 介電加熱：指本文中「被甩動而互相摩擦」這種加熱機制的說法。
- 駐波：去程的波和回程的波重疊後形成的、不會移動的強弱花紋。這正是加熱不均的真面目。
- 突沸：在沒有沸騰契機的情況下超過沸點，一旦受到刺激就會瞬間劇烈沸騰的現象。
高中用公式驗證：自己算出需要加熱幾秒
關於微波爐，有兩件事可以計算出來：不均的間隔，以及加熱所需的時間。兩者都能用高中學過的公式算出。
速度 ＝ 波長 × 頻率
| 速度 | 電波，所以是光速 3.0 × 10⁸ m/s |
| 波長 | 一個波的長度［m］ |
| 頻率 | 每秒振動的次數［Hz］ |
| 微波爐的頻率 | 2.45 GHz ＝ 2.45 × 10⁹ Hz |
| 把公式改寫成求波長 | 波長 ＝ 速度 ÷ 頻率 |
| 代入數值 | (3.0 × 10⁸) ÷ (2.45 × 10⁹) ≒ 0.122 m |
| 波長 | 約12.2 cm |
| 強處的間隔是其一半 | 12.2 ÷ 2 ＝ 6.1 cm |
大約每隔6 cm，就會出現容易加熱和不容易加熱的地方。本文的觀察正是反過來運用了這一點。只要用尺量出融化處的間隔，就能自己算出光速。
Q ＝ c m ΔT
| Q 所需的熱量 | 單位是 J（焦耳） |
| c 水的比熱 | 約 4.2 J/(g·K) |
| m 欲加熱物體的質量 | 單位是 g |
| ΔT 想提升的溫度 | 單位是 ℃（或K） |
簡單來說就是：「量越多」「想提升的溫度越高」，需要的熱量就越多。聽起來理所當然，但重點在於這是成正比的關係。量變成兩倍，所需時間也正好變成兩倍。
| 想加熱的東西 | 水 200 g（一杯的量） |
| 想提升的溫度 | 從20℃升到80℃，所以ΔT ＝ 60 |
| 算出所需熱量 | Q ＝ 4.2 × 200 × 60 ＝ 50400 J |
| 微波爐的輸出功率 | 600 W ＝ 每秒 600 J |
| 時間 ＝ 熱量 ÷ 輸出功率 | 50400 ÷ 600 ＝ 84 秒 |
| 答案 | 大約1分半 |
實際用微波爐加熱時，設定的時間大概也是這個程度。憑感覺按下去的「1分半」，用計算就能得出來。
實際上會比84秒花更久的時間。原因只要看公式和現實的差異在哪裡就能明白。
- 容器也會變熱。m 不會只有水而已
- 輸出功率不會全部進到水裡。600 W 標示的是輸出而非耗電量，但仍有部分會逸散到爐壁等處
- 有加熱不均。如①所述，各處強弱不同，所以整體不會均勻升溫
- 越熱，散失到周圍的熱量就越多。因為溫差變大了
當計算結果和實際不符時，不要想「公式是不是錯了」，而要想「公式裡漏算了什麼」。我認為這正是實際運用時最重要的一點。
高中高中＋為什麼水會「電荷偏移」
水分子（H₂O）不是直線形，而是彎折成約104.5度的形狀。氧原子吸引電子的能力較強，所以負電荷偏向氧原子那一側，正電荷偏向氫原子那一側。因為分子是彎折的，這種電荷偏移不會互相抵消，而是整個分子都保留了下來。這稱為偶極矩。
如果水分子像二氧化碳一樣是直線形，電荷偏移就會互相抵消，微波爐也就無法使用了。水擁有較高的沸點、冰會浮在水面上，也都是源自同一個「彎折的形狀」。
大學吸收深度與介電損耗
物質吸收多少微波，取決於複介電常數的虛部（介電損耗，常寫作 ε″）。分子的旋轉對電場方向的變化稍微延遲跟上（弛豫），正是這種損耗的來源。
吸收程度的參考指標是穿透深度，指微波強度衰減到1/e（約37%）時的深度。對於含水量高的食物，在2.45 GHz下大約是1〜數公分左右。也就是說，微波並不會直接到達食物中心。發熱發生在表面往內數公分的層，再往內則靠一般的熱傳導傳遞。「微波爐是從裡面開始加熱」這種說法並不準確。
冰的 ε″ 比液態水小得多，這正是冷凍食品難以均勻加熱的原因。已融化部分的吸收量會急遽上升，因此容易發生熱失控。含鹽量高的食物還會加上導電損耗，表面更容易過熱。
研究目前尚未釐清、以及最近才弄清楚的事
- 「把葡萄切一半並排放置，會冒出發光火球」這個現象，是在2019年才得到解釋的。這個現象本身很早就透過電視和影片廣為人知，但長久以來的說法是「切口像天線一樣運作」。然而實際調查後，發現這是錯的。含水量高的葡萄果粒，會像小型共振腔一樣把微波困在內部，兩顆果粒相接的那一點，能量會極端集中。表皮的切口並非關鍵，只要有兩顆含水的球體相接就會發生。這是一個常見現象直到幾十年後才被正確解釋的例子。
- 準確預測加熱不均，至今仍然很困難。爐內的電磁場會因食物的形狀、含水量、含鹽量、擺放位置而大幅改變。而且加熱過程中物性會改變，電磁場也會跟著變化，兩者互相影響。同時求解電磁場與熱傳導的數值計算正在進步，但要重現實際烹調並不容易。
- 「微波爐會破壞營養」這種說法，並沒有單純的答案。加熱造成的營養素變化，取決於溫度、時間和水量。微波爐加熱時間短，比水煮時溶入水中的量少，因此在某些條件下反而更容易保留營養，也有這樣的報告。目前的理解是，條件的差異比加熱方式本身影響更大。
- 使用微波的加熱技術，目前正在產業界擴大應用。包括化學合成、乾燥、殺菌、廢棄物處理等。至於「為什麼即使溫度相同，結果有時仍和一般加熱不同（是否存在非熱效應）」，由於測量上也有困難，目前仍在持續討論中。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應之處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・電流與磁場／波動／狀態變化 | 電波加熱水的原理、加熱不均 |
| 高中 | 物理基礎・波動／物理・電磁波 | 速度＝波長×頻率、駐波、爐門網格 |
| 高中 | 化學基礎・分子形狀與極性 | 水分子的彎折形狀與電荷偏移 |
| 高中＋ | 化學・分子間作用力／物理・電場與導體 | 偶極矩、電荷集中於尖銳部位 |
| 大學 | 電磁學・介電物性・食品工程 | 複介電常數、介電損耗、穿透深度、熱失控 |
| 研究 | 微波工程（部分尚未解決） | 葡萄電漿現象、加熱不均的預測、非熱效應 |
| ― | 安全教育 | 金屬・雞蛋・突沸、爐內起火時的應對 |
- Khattak, H. K., Bianucci, P. & Slepkov, A. D., Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers, PNAS 116(10), 4000–4005, 2019（解明葡萄電漿現象的論文）。
- Metaxas, A. C. & Meredith, R. J., Industrial Microwave Heating（介電加熱的標準教科書）。
- 日本國民生活中心（国民生活センター）以及製品評価技術基盤機構（NITE，日本獨立行政法人）針對微波爐事故案例與注意事項的公告（雞蛋爆裂、突沸、爐內起火）。
- 各廠牌微波爐使用說明書中，關於可用與不可用容器的指示。
- 國際電信聯盟（ITU）關於ISM頻段分配的規範。
※ 頻率、波長、穿透深度等數值，會因機種與食物條件而有所差異。本文所列為一般常用的參考值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。實際使用時，請務必遵照您所使用的微波爐的使用說明書及容器上的標示。若發生意外，請依照消防及醫療機構的指示處理。文中所列數值僅為幫助理解原理的參考值。