電子レンジは、なぜ温めむらができるのか

電子レンジで温めたおかずを食べると、端は熱いのに、真ん中がまだ冷たいことがあります。同じ時間、同じ庫内に入れていたのに、なぜ温まり方がそろわないのか。

この記事では、庫内のマイクロ波を横から見て、熱くなる所と冷たいままの所がどこにできるのかを確かめます。

電子レンジは、マイクロ波で水の分子を揺さぶって温める

電子レンジの中には、マグネトロンという部品があります。ここでマイクロ波という電波を作り、庫内に送り込みます。日本機械学会誌の解説では、電子レンジのマイクロ波は、国際的に 2450 MHz と定められています。1秒に24億5000万回振動する波です。

この周波数は、国際電気通信連合（ITU）が、工業・科学・医療に使う装置（ISM 装置）のために指定した周波数の1つです。総務省の審議会の資料では、家庭用の電子レンジも ISM 装置に入っています。ISM の周波数の範囲は 2400〜2500 MHz です。

マイクロ波を食べ物に当てると、温まるのは食べ物に含まれる水です。電子レンジを作る日立の解説も、食品の水分の分子を振動させて発熱させる、としています。

水の分子は、酸素1つと水素2つでできています。分子の中で電気が偏っていて、水素の側が＋、酸素の側が−です。

マイクロ波の電場は、分子の電気の偏りに、向きをそろえようとする力をかけます。HyperPhysics（ジョージア州立大学の物理の解説）は、これを誘電加熱と呼び、電子レンジで水が温まる主なしくみとしています。

Tanaka と Sato が分子の動きを計算した論文では、液体の水の分子は、電場より遅れて回ります。マイクロ波から受け取ったエネルギーは、分子の動きと、分子どうしの間のエネルギーに移ります。分子が速く動くことが、温度が上がることです。

ただし、細かいしくみには、まだ説明の分かれる所があります。HyperPhysics は、分子の向きを変える仕事より、水素原子を動かす仕事のほうが大きいという計算も紹介しています。

日立の解説では、マイクロ波は水分を含む食べ物に吸収され、ガラスや陶磁器の器は通り抜け、金属に当たると跳ね返ります。この「金属で跳ね返る」性質が、温めむらの元になります。

庫内でマイクロ波が跳ね返り、重なって「強い所」と「弱い所」ができる

マイクロ波は庫内の壁に当たると跳ね返り、庫内を行ったり来たりします。

右へ進む波と、壁で跳ね返って左へ戻る波が、同じ所で重なります。2つの波の山と山が重なる所では、揺れが大きくなります。山と谷が重なる所では、打ち消し合って揺れが小さくなります。

「全部」を選んで再生すると、行きの波（実線）と帰りの波（破線）は、それぞれ右と左へ進みます。ところが2つを足した太い線は、横へ進みません。決まった所で大きく揺れ、決まった所ではほとんど揺れないままです。

このような波を、定在波と呼びます。OpenStax の物理の教科書では、同じ周波数で逆向きに進む2つの波を重ねると、定在波ができます。いつも揺れない所を節、いちばん大きく揺れる所を腹と呼びます。この記事では、腹を「強い所」、節を「弱い所」と書きます。

強い所と弱い所の位置は、時間がたっても動きません。デルフト工科大学の物理の教材でも、電子レンジの中には定在波ができ、節では食べ物は温まらず、腹で最もよく温まるとしています。

これが温めむらの元です。食べ物のうち、強い所にある部分はどんどん温まります。弱い所にある部分は、なかなか温まりません。

強い所の間隔は、周波数で決まる：2.45 GHz なら約 6 cm おき

強い所と強い所の間は、どれくらい離れているのでしょうか。教科書の式では、隣り合う腹と腹の間は、波長の半分です。節と節の間も同じです。

波長は、波の速さを周波数で割ると出ます。マイクロ波は電波なので、速さは光と同じ秒速 299 792 458 m です。

• 波長 ＝ 299 792 458 m/s ÷ 2 450 000 000 Hz ≒ 0.122 m ＝ 12.2 cm
• 強い所の間隔 ＝ 12.2 cm ÷ 2 ≒ 6.1 cm

HyperPhysics と日本機械学会誌の解説も、電子レンジのマイクロ波の波長を約 12 cm としています。

電子レンジの周波数は、ISM の範囲 2400〜2500 MHz の中にあります。この範囲で計算すると、強い所の間隔は 6.0〜6.2 cm です。1方向だけの波で考えると、強い所はおよそ 6 cm おきに並ぶことになります。

強い所と弱い所は、約 3 cm ずつ交互に並びます。食べ物の幅が 6 cm より大きければ、1つの食べ物の中に強い所と弱い所が両方入ります。だから、1つの食べ物の中で熱い所と冷たい所が分かれます。

本物の庫内は箱なので、マイクロ波は左右だけでなく、上下と前後の壁でも跳ね返ります。強い所と弱い所は、左右だけでなく、上下と前後にも並びます。

食べ物の中では、マイクロ波は進むほど吸われて弱まります。HyperPhysics によると、25°C の水では、1.4 cm 進むとマイクロ波の強さの 63% が吸われます。キール大学の講義資料によると、電子レンジの 2.45 GHz は、水が最もよく吸う周波数（およそ 5〜100 GHz）より低くしてあります。表面だけで吸われず、奥まで届くようにするためです。

ターンテーブルが回ると、食べ物の各部が強い所を通る

強い所と弱い所の位置が決まっているなら、食べ物のほうを動かせば、むらは減ります。日立の解説でも、ターンテーブルのある機種は、食べ物を回して温めむらがなくなるようにしています。ターンテーブルの無い機種では、庫内の底のアンテナを回して、マイクロ波を庫内に広げます。

「止める」を選ぶと、強い所の真上にある部分（▲）だけが濃くなります。▲ の温まり具合は 100 です。中心から 9 cm の ■ は、弱い所の上にあるので 0 です。

「回す」を選ぶと、食べ物の各部は、円を描いて強い所と弱い所を交互に通ります。▲ の温まり具合は 47、■ は 38 になり、近づきます。食べ物全体の最大と最小の差は、100 から 47 に縮みます。

それでも、むらはなくなりません。

• 中心（●）は、回っても位置が変わりません。この図では中心が弱い所にあるので、いつまでも 0 のままです。中心がたまたま強い所にあれば、逆に中心ばかりが熱くなります
• 回ると、中心から同じ距離にある所は、同じ道を通るのでそろいます。でも、中心からの距離が違うと、通る道が違います。この図では、中心から約 7 cm の輪は、ほとんど強い所を通りません

ターンテーブルが減らせるのは、同じ円の上のむらです。中心からの距離によるむらは残ります。

氷が温まりにくいのは、水の分子が自由に回れないから

冷凍した食べ物を電子レンジで温めると、外は溶けたのに中は凍ったまま、ということがあります。これも、水の分子の動きで説明できます。

図1を「氷」に切り替えると、分子はほとんど動きません。氷の中では、水の分子どうしが水素結合でつながり、網のように固まっています。Tanaka と Sato の計算では、氷の分子は、この網に固められて向きを変えられません。氷は、マイクロ波でほとんど温まりませんでした。

キール大学の講義資料も、同じことを別の数字で示しています。電気の偏りがどれだけ電場に応えるかを表す値（比誘電率）は、水が約 80 なのに、氷はマイクロ波の周波数で約 3 しかありません。氷は、マイクロ波のエネルギーをあまり吸いません。

同じ資料は、凍ったバターや肉は溶けるまでに長くかかるのに、溶けたあとは短い時間で温まるとも書いています。溶けて液体の水になった所から、マイクロ波を吸い始めるからです。そのため、先に溶けた所はどんどん熱くなり、凍った所は冷たいまま残ります。強い所と弱い所によるむらに、このむらが重なります。

この記事は、うごく図解の AI の編集部が書き、別の AI が出典と照らして確かめました。どう作っているか