微波炉为什么总是外面烫、里面凉？

2026-11-10 · Read in English

上一篇《无线电是怎么把声音和数据送到你手机里的？》里说：「手机信号唯一确定的作用，是让身体发一点点热，道理和微波炉一样。」微波炉，就是把这件事做到了极致：一台约 1000 瓦的「电台」，关在一个金属盒子里，专门给食物发热。可是用过的人都知道，热一盘剩饭，常常是外面烫嘴，中间还是凉的；一盘菜里，有的地方冒泡，有的地方冰凉。这是为什么？

先猜一猜

常听到的说法有：「微波炉是从里往外加热的」；「2.45 GHz 正好是水分子的共振频率，所以专门加热水」；「微波加热过的饭，会带上辐射」。

都不对。微波只能钻进食物一两厘米，里面是靠热慢慢传进去的。2.45 GHz 也不是水最爱吸收的频率，后面会看到，选它恰恰因为水「不那么爱」它。至于辐射，微波炉一关，微波就没了，就像关灯以后屋里不会留下光，食物里什么也不会剩下。

一台关在盒子里的「电台」

1945 年，美国雷神公司的工程师斯宾塞在测试雷达用的磁控管时，发现口袋里的巧克力化了。他又拿玉米粒试，玉米粒在磁控管前噼里啪啦爆成了爆米花。两年后，第一台商用微波炉问世，差不多一人高，重三百多公斤。

今天的微波炉里，磁控管每秒振动 24.5 亿次，也就是 2.45 GHz，波长约 12 厘米。食物里的水分子一头带一点正电、一头带一点负电，电场来回翻转，就拽着它们来回扭，能量变成了热。

为什么偏偏是 2.45 GHz？水最爱吸收的频率在 20 GHz 左右。可要是真用 20 GHz，微波钻进去不到半毫米就被吸收光了，只会把表面烤焦，里面根本热不着。2.45 GHz 水吸收得「刚刚好」，能钻进一两厘米。另外，这段频率是国际上专门留给工业、医疗和家用设备的，不会干扰通信；家里 2.4 GHz 的 Wi-Fi 也在这一段，所以微波炉一开，旁边的 Wi-Fi 有时会变慢。

热点和冷点：微波在炉子里来回撞

微波炉的内壁全是金属，微波射过去，就被反射回来。去的波和回来的波叠在一起：有的地方两者总是相互加强，电场特别强，是「热点」；有的地方总是相互抵消，电场几乎为零，是「冷点」。相邻两个热点之间，正好隔半个波长，约 6 厘米。

冷热点是怎么来的（计算）。上：去的波（橙色虚线）碰到右边的金属炉壁，反射回来（蓝色虚线），两者相加（黑色实线），变成在原地上下振动、不再往前跑的「驻波」。下：食物吸收的热，热点和冷点交替出现，相邻两个热点相距半个波长，约 6.1 厘米。

真实的炉腔是一个盒子，微波在六个面之间来回撞，冷热点就成了一张地图。下面是按麦克斯韦方程算出来的，从上往下看炉腔：

微波炉里的冷热点（二维模拟）。左：电场，红、蓝表示方向相反；为了看得清，每两帧之间其实已经振动了一次多；右壁的橙色条是微波的入口。右：放在盘子里的一层食物吸收的热，越亮越热。只用几十纳秒，冷热点就固定在了各自的位置上。

热点和冷点的位置是固定的，可能只隔几厘米：同一盘饭，这一口烫，那一口凉。

家里的微波炉，也能找到微波进来的地方：炉腔侧壁上（多数在右边）有一块方形的云母片或塑料片，后面就是把微波从磁控管引进来的「波导」口。这块片子沾了油污容易打火，要擦干净，但别揭掉。

转盘：平均了一圈，可圆心不动

转盘就是为了这个：让食物轮流经过热点和冷点。下面用上面算出的冷热点地图，比一比同一盘饭不转和转的结果：

转盘有什么用（计算）。左：盘子不转，热点一直烤同一个地方。右：转盘每分钟转 5 圈，同一圈上的冷热被平均了，可是圆心一直待在原地。假设一薄层饭铺满直径 24 厘米的盘子；绿点是盘边上的一个记号，看盘子转到了哪里，白色「+」是圆心；蓝字是吸收的热不到全盘平均一半的「偏凉」部分。

转起来以后，偏凉的部分从 39% 降到了 0。不过有一个地方转盘管不了：圆心。盘子正中间那一点永远待在原地，这次模拟里它正好不冷不热；要是它落在一个冷点上，转多久也热不透。所以热饭时，把食物在盘子里摆成一圈，中间空着；热到一半拿出来拌一拌，会均匀得多。

上面的模拟只是一个平面。真实的炉腔是立体的，冷热点在上下方向也一层层排着；转盘只会水平地转，管不了上下。所以堆得高高的一碗饭，上层和下层也会不匀，这是要摊薄的另一个原因。

外面烫、里面凉

微波钻进食物，每钻一层就被吸收掉一部分：在瘦肉里，钻进 1 厘米就只剩三成了。里面的热，全靠外层慢慢传进去。可是肉传热很慢：一分钟只能传进去约 3 毫米。

所以，「中火」并不是把微波变弱，而是让磁控管开一会儿、停一会儿，给热留出往里传的时间。不过对厚的东西，这也只能帮一点点。真正管用的，是把食物切小、摊薄。

冻肉化冻更难。冰几乎不吸收微波（左图那条几乎水平的灰线）：零下十几度的冰，微波要穿过十来米才衰减到三分之一！可只要有一小块先化成了水，那里就拼命吸收，越热越化，越化越热：于是外面一圈已经熟了，里面还冻得硬邦邦。所以「解冻」档开开停停，用的功率更低。

金属、葡萄和炉门

微波炉的内壁就是金属，光滑的金属只会把微波反射回去。可是揉皱的锡纸、叉子的尖儿，会把电场挤在一个小尖上，强到把空气击穿，噼啪冒出火花。所以，除非说明书允许，别把锡纸、金属刀叉和带金边、银边的碗碟放进微波炉。

有个更奇怪的现象：两半葡萄靠在一起放进去，会冒出一团等离子体火球。直到 2019 年，加拿大的物理学家才弄清楚原因：微波在葡萄里波长只有约 1.4 厘米，一颗葡萄正好像一个小小的「微波腔」，把微波聚到两半相接的那一点上。（别在家试，会损坏微波炉。）

炉门上那层带小孔的金属网，孔只有一两毫米，比 12 厘米的波长小得多。《无线电是怎么把声音和数据送到你手机里的？》里说：「缝和波长差不多大时，电波就挡不住了。」反过来，孔比波长小得多，微波就出不去，可是波长不到 1 微米的光照样穿得过，所以你能看见里面的饭。国际标准规定，离炉子表面 5 厘米处，漏出的微波每平方厘米不能超过 5 毫瓦；德国的实测，一般只有这个限值的百分之一左右。

一句话：微波在金属炉腔里来回反射，叠成固定的热点和冷点；转盘能把一圈上的冷热平均，却管不了圆心；微波只钻进一两厘米，里面要靠热慢慢传，所以外面烫、里面凉。切小、摊薄、摆成一圈、中途拌一拌，就热得匀。

我们怎么知道：用巧克力量光速

把微波炉的转盘拿掉，放一个倒扣的盘子垫着，上面放一大板巧克力（或者铺满一层芝士、棉花糖）。
高火加热 15 到 20 秒，看到有几处开始化了，马上停。
量一量相邻两个化了的地方隔多远，大约 6 厘米，这就是半个波长。
炉门背后的铭牌上写着频率 2450 MHz。光速 = 2 × 间距 × 频率 = 2 × 0.061 米 × 24.5 亿次每秒 ≈ 3 × 10⁸ 米每秒。

真实的炉腔里，冷热点的排列比一条直线复杂，量出来的结果可能差一两成，但已经很接近光速了。

还不知道什么

怎样把任意形状的食物热得均匀，到现在也还是个难题。新一代的「固态」微波炉，用半导体代替磁控管，能随时改变频率和相位，把热点挪到需要的地方，有的还能根据反射回来的微波，判断食物热到了什么程度。怎样又快又匀，工程师们还在想办法。

进阶：介电常数、穿透深度、模拟和数据

波长和频率。 $\lambda = c/f = 12.24$ 厘米；热点间距 $\lambda/2 = 6.12$ 厘米。2.45 GHz（2400–2500 MHz）是国际电联划给工业、科学和医疗（ISM）用途的频段；工业微波加热也用 915 MHz。

水的介电常数。德拜模型 $\varepsilon = \varepsilon_\infty + (\varepsilon_s - \varepsilon_\infty)/(1 + i\omega\tau)$ ，25 °C 时 $\varepsilon_s = 78.36$ ， $\varepsilon_\infty = 5.2$ ， $\tau = 8.27$ 皮秒（Kaatze，1989）。2.45 GHz： $\varepsilon \approx 77.2 - 9.2i$ ；吸收最强的频率 $1/(2\pi\tau) = 19.2$ GHz，那里 $\varepsilon \approx 41.8 - 36.6i$ 。瘦肉约 $52 - 17i$ （常见文献值）；冰约 $3.2 - 0.003i$ （零下十几度，von Hippel）。

穿透深度。功率按 $e^{-z/D}$ 衰减， $D = \lambda_0 / (4\pi\,\mathrm{Im}\sqrt{\varepsilon})$ ：水 1.87 厘米，瘦肉 0.84 厘米，冰约 11.6 米，20 GHz 的水 0.47 毫米。

图 2：炉腔模拟。俯视的二维时域有限差分（Yee 网格，横磁模式），炉腔 32 × 30 厘米，网格 2.5 毫米，理想导体壁；右壁 3 厘米宽的入口以 2.45 GHz 激励，3 个周期内渐渐加大。盘子直径 24 厘米，上面的一层食物用电导率 0.02 西门子每米来代表（很薄的一层，只吸收一点，几乎不改变电场）。吸收功率密度 $\sigma E^2$ 。每帧相隔 13/12 个周期，所以电场看起来在慢慢振动。真实炉腔是三维的，冷热点的形状和二维的不同，但道理一样。

图 3：转盘。用图 2 最后 12 个周期平均的 $\sigma E^2$ 作为固定的加热地图，盘子每分钟 5 圈，加热 24 秒；「偏凉」指吸收的热不到全盘平均值一半的部分。近似：假设食物转动时冷热点不变；只算了一个平面，没有算上下方向。

图 4：热传导。一块 10 × 10 × 6 厘米的冷藏（未冻）瘦肉，一维热传导方程 $\rho c_p\,\partial T/\partial t = k\,\partial^2 T/\partial x^2 + q(x)$ ，瘦肉 $k = 0.45$ W/(m·K)， $\rho = 1050$ kg/m³， $c_p = 3500$ J/(kg·K)，热扩散率 $1.2 \times 10^{-7}$ m²/s； $q$ 从两面按穿透深度 0.84 厘米指数衰减，每面吸收 300 瓦（10 × 10 厘米），初温 5 °C，表面不散热。传热距离 $\sqrt{\alpha t}$ ：1 分钟约 2.7 毫米，10 分钟约 8.6 毫米。结果：高火 60 秒后表面 52 °C、中心 8 °C；静置 120 秒后表面 41 °C；中火（每 30 秒开 10 秒）180 秒后表面 45 °C，中心都不到 10 °C。

漏能限值。美国食品药品监督管理局（21 CFR 1030.10）和国际标准 IEC 60335-2-25：离表面 5 厘米处不超过 5 mW/cm²（50 W/m²）。德国联邦辐射防护办公室的实测平均约为限值的 1%。

历史和葡萄。斯宾塞的专利申请于 1945 年 10 月提交；雷神公司 1947 年推出第一台商用微波炉 Radarange，高约 1.8 米，重 340 公斤，耗电约 3 千瓦，用水冷却。葡萄等离子体：Khattak、Bianucci、Slepkov，《美国国家科学院院刊》116 卷 4000 页（2019）；葡萄里的波长 $\approx \lambda/\sqrt{78} \approx 1.4$ 厘米。