微波及微波的應用
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微波是電磁波的一個(gè)頻段，波長(cháng)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應用，并挑幾個(gè)與臺灣有關(guān)的應用來(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(chēng)物理學(xué)家的前10名，他們最主要的貢獻就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經(jīng)由實(shí)驗發(fā)現了「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(xiàn)圈，線(xiàn)圈上就會(huì )感應出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因為在這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)現了另一種產(chǎn)生電場(chǎng)的方法。
在發(fā)現法拉第定律的同年，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，因為在當時(shí)只知道電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)。馬克士威爾的學(xué)說(shuō)因為是推理，到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)！
當時(shí)大家只知道光是波，光的波動(dòng)現象可以用干涉儀探測出來(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)構成的，可是因為太創(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換。
相同的道理可應用在具有一個(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)電容器內的電場(chǎng)能量隨電荷減少而變小，當電荷流光時(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，可是因為電流一直在流，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象，赫茲就是用這方法產(chǎn)生電磁波。
總結這兩種振蕩形式，可看出一個(gè)振蕩現象的通則：
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存能量的機制，比如質(zhì)塊和彈簧機械震蕩的能量?jì)Υ鏅C制是動(dòng)能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量?jì)Υ鏅C制是電場(chǎng)及磁場(chǎng)。此外，還需要有能量交換的機制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機制是彈簧的復原力，LC振蕩器的能量交換機制是電流和電荷。
電磁波雖然也是借著(zhù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)儲存能量，但能量交換的機制則截然不同，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(xiàn)傳到電偶極天線(xiàn)，在天線(xiàn)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(xiàn)處產(chǎn)生，兩者大致相互垂直，之后便根據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)頻譜區可大致分為長(cháng)波、無(wú)線(xiàn)電波（無(wú)線(xiàn)電波中包括了微波），還有紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)，接著(zhù)還有X光、γ射線(xiàn)等。
有一個(gè)很有趣的現象，就是水對電磁波的吸收系數與頻率之間的關(guān)系。大氣里有很多水蒸氣，在很窄的可見(jiàn)光頻段，水的吸收系數就像峽谷一樣，突然下降1～100億倍，讓大氣像是有一扇窗戶(hù)，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，當然我們也都不存在！所以水對電磁波的吸收系數看來(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計的。
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(xiàn)就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線(xiàn)，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線(xiàn)如何傳輸能量呢？
它是借著(zhù)電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳輸能量。高壓線(xiàn)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(xiàn)的四周像是一條電磁場(chǎng)的大洪流，反而是高壓線(xiàn)的里面不能傳輸能量。高壓線(xiàn)要擺這么高的原因不僅是因為碰到線(xiàn)會(huì )有危險，而是一進(jìn)到電磁場(chǎng)的洪流區就很危險。
除了高壓線(xiàn)外，只要是傳播訊號或傳輸能量的電線(xiàn)，都利用相同的原理。汽、機車(chē)的電瓶是直流電，但是直流電線(xiàn)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。
微波的應用
說(shuō)完了微波兩側的光波和低頻波之后，開(kāi)始進(jìn)入另一個(gè)主題：微波的應用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個(gè)與通訊及雷達有關(guān)的頻段。
光纖通訊利用光波，除此之外，就是無(wú)線(xiàn)電波。無(wú)線(xiàn)電波頻段里面有中波，由早期的收音機所使用，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，這是通訊和雷達最主要的頻段。國際組織把無(wú)線(xiàn)電波頻段劃分為很多頻道，甚至規定了軍事設備使用的頻道，不然就會(huì )彼此干擾，所以軍用設備、民用設備、衛星、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?。電視表演要送到遠處播放，需要在地面轉接，一個(gè)轉接站收到訊號后，再把它放大傳送到另一個(gè)轉接站，最后送到接收地的電視臺播放，也可以經(jīng)過(guò)衛星送到更遠的地方。越洋電話(huà)、電信也是經(jīng)過(guò)衛星送出訊號，所用的都是微波。
再說(shuō)到國防系統，這當然也是絕對重要的。以美國為例，全球美軍24小時(shí)都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著(zhù)衛星通訊串在一起。此外，每一艘作戰船上面都有各種雷達及通訊設備，光是微波發(fā)射器就數以百計，新型戰機上面也有好幾十個(gè)，發(fā)揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測、導航、干擾、火力控制等等。
例如飛行中的飛彈，要擊中目標，需要雷達導航，作戰的飛機要射出訊號干擾敵方的雷達，讓敵方的雷達無(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，讓敵方雷達把它的位置搞錯，結果浪費一顆飛彈。飛機和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰車(chē)等等，也是類(lèi)似的情形。
所以說(shuō)微波對我們的影響非常大。軍艦、戰機保護我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現在幾乎每個(gè)人都在撥打手機，就是微波在幫我們服務(wù)。
國內相關(guān)的微波研究
接下來(lái)談?wù)剮讉€(gè)跟國內相關(guān)的實(shí)際應用例子。筆者在清華大學(xué)專(zhuān)門(mén)研究高功率微波，而國內進(jìn)行這方面研究的團隊極少，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，計算機仿真設計后，要做工程設計，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，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測試，如果不合格，又是前功盡棄。
制程中需要一再地焊接，是因為發(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(chēng)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，所以這項工作，對我們的國防相當重要。
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時(shí)開(kāi)始發(fā)展的，現在已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)界，是非常成功的一項研究，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，都超越了傳統的極限，在應用上帶來(lái)了新的契機。
像美國這樣的先進(jìn)國家，已準備把磁旋行波放大器應用到太空科技上。美國有不少太空偵測設施，里面有各種各樣的雷達偵測太空對象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛星、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)的新設備。
再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項應用為例，這項應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，正在申請專(zhuān)利，希望這個(gè)設備能夠給我們的研究工作帶來(lái)一些突破。
這個(gè)計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合在一起。結合的過(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(huà)就被會(huì )燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結合在一起，必須快速加熱。
構思的方法是上層用吸波快的粉末，因為吸波快，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，因為在一般的高溫爐中溫度都一樣，沒(méi)辦法達到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因為還不夠快。在我們設計的「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)式機械平臺上，進(jìn)行二維掃描，連續地處理。
微波除了用在通訊、雷達及材料處理之外，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。臺灣有一個(gè)相當具有代表性的加速器，這個(gè)加速器位在新竹科學(xué)園區的同步輻射研究中心，內有加速環(huán)及儲存環(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，送到儲存環(huán)里面轉七、八個(gè)鐘頭，在轉彎時(shí)，會(huì )輻射出很強、頻率接近X射線(xiàn)的光。儲存環(huán)外的周?chē)?，擺了各種的儀器進(jìn)行科學(xué)或工業(yè)應用研究，在每一個(gè)轉彎處都引出3道光，可做3組實(shí)驗，一圈共可做18組實(shí)驗，這是同步輻射研究中心的大概情況。
電子在加速環(huán)里轉的時(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。送到儲存環(huán)之后，在旋轉時(shí)會(huì )輻射出光，耗損能量，儲存環(huán)里頭也有兩個(gè)高頻共振腔，每經(jīng)過(guò)一次就補充能量，好像加油站一樣。
電子在儲存環(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)需要相當精確的計算。比如說(shuō)光速是3×1010 cm／sec，對不對？這個(gè)數據不是很好，因為在同步輻射研究中心如果把光速當成3×1010 cm／sec，這個(gè)1億美金的設備就要泡湯了。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，只是加速器計算的精確度到小數第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，可以讓電子轉彎，并自動(dòng)修正軌道的偏差。電子要在儲存環(huán)里面轉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，另外還有電源供應器等等，這就是加速器大致的構造。
電子在儲存環(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備，也就構成一個(gè)龐大的實(shí)驗站。在同步輻射研究中心里，這樣的實(shí)驗站一圈下來(lái)將近有20個(gè)左右，但還是有很多人排隊等著(zhù)做實(shí)驗。這個(gè)光源，全臺灣很多學(xué)校都在用，大約有幾十個(gè)機構、一兩百個(gè)研究小組，有些還來(lái)自國外。
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)驗證明后大家才相信。實(shí)驗時(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?？茖W(xué)家就可以說(shuō)我們看到了理論預測到的，或者看到了理論沒(méi)有預測到的。
丁肇中先生在二、三十年前看到一個(gè)理論預測到的粒子，得到諾貝爾獎，用的就是加速器。但這種應用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長(cháng)達幾十公里，有千百個(gè)高頻共振腔，可見(jiàn)現代的加速器有多復雜。光是從粒子加速器這個(gè)應用，大家就可以想象微波對科學(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，電子一定是一團一團的，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成一個(gè)高頻系統，其中有一個(gè)速調管，這是電視臺所用的微波源，產(chǎn)生60千瓦的功率，其它還有冷卻系統、微波循環(huán)器、控制系統、同軸傳輸線(xiàn)等。60千瓦那么高的功率相當于三、四十臺冷氣機，到處都會(huì )留下熱，所以高頻系統的各個(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，控制系統就會(huì )在百萬(wàn)分之一秒內下令自動(dòng)停機。
微波循環(huán)器是用來(lái)保護速調管的，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。當然炮彈發(fā)生這種情況的機會(huì )并不存在，但是微波發(fā)生的機會(huì )就多了，通路一有不對，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、波導管等，這是整個(gè)微波爐的機械結構。
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。因為磁控管可應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)，這里面的商機就很多，而最尖端雷達所使用的磁控管通常賺不了錢(qián)，因為需要量常常只是一兩個(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，因為量太少沒(méi)利潤?，F在為了競爭，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，相當不可思議，而太空偵測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度以下繼續冷縮，水面結成的冰就會(huì )沈到水底，明年夏天來(lái)時(shí)，因為隔了那么深的一層水，水底的冰無(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？因為水分子另外還有一個(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(zhù)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(zhù)改變，不斷地打轉。
是否每打一個(gè)轉就增加一點(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，一再重復相同的動(dòng)作，船的能量并沒(méi)有一直增加。這個(gè)道理運用到水分子的轉動(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，因為風(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)?？墒钱斔肿雍推渌肿訑D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50％左右，比傳統烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。
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(chēng)物理學(xué)家的前10名，他們最主要的貢獻就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經(jīng)由實(shí)驗發(fā)現了「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(xiàn)圈，線(xiàn)圈上就會(huì )感應出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因為在這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)現了另一種產(chǎn)生電場(chǎng)的方法。
在發(fā)現法拉第定律的同年，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，因為在當時(shí)只知道電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)。馬克士威爾的學(xué)說(shuō)因為是推理，到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)！
當時(shí)大家只知道光是波，光的波動(dòng)現象可以用干涉儀探測出來(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)構成的，可是因為太創(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換。
相同的道理可應用在具有一個(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)電容器內的電場(chǎng)能量隨電荷減少而變小，當電荷流光時(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，可是因為電流一直在流，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象，赫茲就是用這方法產(chǎn)生電磁波。
總結這兩種振蕩形式，可看出一個(gè)振蕩現象的通則：
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存能量的機制，比如質(zhì)塊和彈簧機械震蕩的能量?jì)Υ鏅C制是動(dòng)能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量?jì)Υ鏅C制是電場(chǎng)及磁場(chǎng)。此外，還需要有能量交換的機制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機制是彈簧的復原力，LC振蕩器的能量交換機制是電流和電荷。
電磁波雖然也是借著(zhù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)儲存能量，但能量交換的機制則截然不同，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(xiàn)傳到電偶極天線(xiàn)，在天線(xiàn)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(xiàn)處產(chǎn)生，兩者大致相互垂直，之后便根據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)頻譜區可大致分為長(cháng)波、無(wú)線(xiàn)電波（無(wú)線(xiàn)電波中包括了微波），還有紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)，接著(zhù)還有X光、γ射線(xiàn)等。
有一個(gè)很有趣的現象，就是水對電磁波的吸收系數與頻率之間的關(guān)系。大氣里有很多水蒸氣，在很窄的可見(jiàn)光頻段，水的吸收系數就像峽谷一樣，突然下降1～100億倍，讓大氣像是有一扇窗戶(hù)，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，當然我們也都不存在！所以水對電磁波的吸收系數看來(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計的。
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(xiàn)就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線(xiàn)，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線(xiàn)如何傳輸能量呢？
它是借著(zhù)電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳輸能量。高壓線(xiàn)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(xiàn)的四周像是一條電磁場(chǎng)的大洪流，反而是高壓線(xiàn)的里面不能傳輸能量。高壓線(xiàn)要擺這么高的原因不僅是因為碰到線(xiàn)會(huì )有危險，而是一進(jìn)到電磁場(chǎng)的洪流區就很危險。
除了高壓線(xiàn)外，只要是傳播訊號或傳輸能量的電線(xiàn)，都利用相同的原理。汽、機車(chē)的電瓶是直流電，但是直流電線(xiàn)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。
微波的應用
說(shuō)完了微波兩側的光波和低頻波之后，開(kāi)始進(jìn)入另一個(gè)主題：微波的應用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個(gè)與通訊及雷達有關(guān)的頻段。
光纖通訊利用光波，除此之外，就是無(wú)線(xiàn)電波。無(wú)線(xiàn)電波頻段里面有中波，由早期的收音機所使用，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，這是通訊和雷達最主要的頻段。國際組織把無(wú)線(xiàn)電波頻段劃分為很多頻道，甚至規定了軍事設備使用的頻道，不然就會(huì )彼此干擾，所以軍用設備、民用設備、衛星、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?。電視表演要送到遠處播放，需要在地面轉接，一個(gè)轉接站收到訊號后，再把它放大傳送到另一個(gè)轉接站，最后送到接收地的電視臺播放，也可以經(jīng)過(guò)衛星送到更遠的地方。越洋電話(huà)、電信也是經(jīng)過(guò)衛星送出訊號，所用的都是微波。
再說(shuō)到國防系統，這當然也是絕對重要的。以美國為例，全球美軍24小時(shí)都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著(zhù)衛星通訊串在一起。此外，每一艘作戰船上面都有各種雷達及通訊設備，光是微波發(fā)射器就數以百計，新型戰機上面也有好幾十個(gè)，發(fā)揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測、導航、干擾、火力控制等等。
例如飛行中的飛彈，要擊中目標，需要雷達導航，作戰的飛機要射出訊號干擾敵方的雷達，讓敵方的雷達無(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，讓敵方雷達把它的位置搞錯，結果浪費一顆飛彈。飛機和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰車(chē)等等，也是類(lèi)似的情形。
所以說(shuō)微波對我們的影響非常大。軍艦、戰機保護我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現在幾乎每個(gè)人都在撥打手機，就是微波在幫我們服務(wù)。
國內相關(guān)的微波研究
接下來(lái)談?wù)剮讉€(gè)跟國內相關(guān)的實(shí)際應用例子。筆者在清華大學(xué)專(zhuān)門(mén)研究高功率微波，而國內進(jìn)行這方面研究的團隊極少，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，計算機仿真設計后，要做工程設計，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，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測試，如果不合格，又是前功盡棄。
制程中需要一再地焊接，是因為發(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(chēng)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，所以這項工作，對我們的國防相當重要。
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時(shí)開(kāi)始發(fā)展的，現在已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)界，是非常成功的一項研究，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，都超越了傳統的極限，在應用上帶來(lái)了新的契機。
像美國這樣的先進(jìn)國家，已準備把磁旋行波放大器應用到太空科技上。美國有不少太空偵測設施，里面有各種各樣的雷達偵測太空對象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛星、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)的新設備。
再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項應用為例，這項應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，正在申請專(zhuān)利，希望這個(gè)設備能夠給我們的研究工作帶來(lái)一些突破。
這個(gè)計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合在一起。結合的過(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(huà)就被會(huì )燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結合在一起，必須快速加熱。
構思的方法是上層用吸波快的粉末，因為吸波快，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，因為在一般的高溫爐中溫度都一樣，沒(méi)辦法達到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因為還不夠快。在我們設計的「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)式機械平臺上，進(jìn)行二維掃描，連續地處理。
微波除了用在通訊、雷達及材料處理之外，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。臺灣有一個(gè)相當具有代表性的加速器，這個(gè)加速器位在新竹科學(xué)園區的同步輻射研究中心，內有加速環(huán)及儲存環(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，送到儲存環(huán)里面轉七、八個(gè)鐘頭，在轉彎時(shí)，會(huì )輻射出很強、頻率接近X射線(xiàn)的光。儲存環(huán)外的周?chē)?，擺了各種的儀器進(jìn)行科學(xué)或工業(yè)應用研究，在每一個(gè)轉彎處都引出3道光，可做3組實(shí)驗，一圈共可做18組實(shí)驗，這是同步輻射研究中心的大概情況。
電子在加速環(huán)里轉的時(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。送到儲存環(huán)之后，在旋轉時(shí)會(huì )輻射出光，耗損能量，儲存環(huán)里頭也有兩個(gè)高頻共振腔，每經(jīng)過(guò)一次就補充能量，好像加油站一樣。
電子在儲存環(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)需要相當精確的計算。比如說(shuō)光速是3×1010 cm／sec，對不對？這個(gè)數據不是很好，因為在同步輻射研究中心如果把光速當成3×1010 cm／sec，這個(gè)1億美金的設備就要泡湯了。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，只是加速器計算的精確度到小數第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，可以讓電子轉彎，并自動(dòng)修正軌道的偏差。電子要在儲存環(huán)里面轉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，另外還有電源供應器等等，這就是加速器大致的構造。
電子在儲存環(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備，也就構成一個(gè)龐大的實(shí)驗站。在同步輻射研究中心里，這樣的實(shí)驗站一圈下來(lái)將近有20個(gè)左右，但還是有很多人排隊等著(zhù)做實(shí)驗。這個(gè)光源，全臺灣很多學(xué)校都在用，大約有幾十個(gè)機構、一兩百個(gè)研究小組，有些還來(lái)自國外。
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)驗證明后大家才相信。實(shí)驗時(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?？茖W(xué)家就可以說(shuō)我們看到了理論預測到的，或者看到了理論沒(méi)有預測到的。
丁肇中先生在二、三十年前看到一個(gè)理論預測到的粒子，得到諾貝爾獎，用的就是加速器。但這種應用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長(cháng)達幾十公里，有千百個(gè)高頻共振腔，可見(jiàn)現代的加速器有多復雜。光是從粒子加速器這個(gè)應用，大家就可以想象微波對科學(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，電子一定是一團一團的，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成一個(gè)高頻系統，其中有一個(gè)速調管，這是電視臺所用的微波源，產(chǎn)生60千瓦的功率，其它還有冷卻系統、微波循環(huán)器、控制系統、同軸傳輸線(xiàn)等。60千瓦那么高的功率相當于三、四十臺冷氣機，到處都會(huì )留下熱，所以高頻系統的各個(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，控制系統就會(huì )在百萬(wàn)分之一秒內下令自動(dòng)停機。
微波循環(huán)器是用來(lái)保護速調管的，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。當然炮彈發(fā)生這種情況的機會(huì )并不存在，但是微波發(fā)生的機會(huì )就多了，通路一有不對，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、波導管等，這是整個(gè)微波爐的機械結構。
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。因為磁控管可應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)，這里面的商機就很多，而最尖端雷達所使用的磁控管通常賺不了錢(qián)，因為需要量常常只是一兩個(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，因為量太少沒(méi)利潤?，F在為了競爭，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，相當不可思議，而太空偵測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度以下繼續冷縮，水面結成的冰就會(huì )沈到水底，明年夏天來(lái)時(shí)，因為隔了那么深的一層水，水底的冰無(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？因為水分子另外還有一個(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(zhù)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(zhù)改變，不斷地打轉。
是否每打一個(gè)轉就增加一點(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，一再重復相同的動(dòng)作，船的能量并沒(méi)有一直增加。這個(gè)道理運用到水分子的轉動(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，因為風(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)?？墒钱斔肿雍推渌肿訑D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50％左右，比傳統烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。
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