どうして、電子レンジで金属を温めてはいけないのですか?

こんにちは、はじめまして。あっぴーといいます。さて、今回質問した動機ですが、私の通っている中学校の春休みの宿題で探究テーマというものが出ました。そこで、私は自分の身の周りにある製品のしくみについて探究しました。そこで、色々疑問を出して図書館やHPなどで調べました。しかし一つどこにも載っていない疑問が出ました。なので質問しました。よろしくお願いします。

単刀直入に聞いてしまうと、「何故、電子レンジで金属を温めてはいけないか」ということです。電子レンジが食品を温める仕組みは掲載されているのですが、その「次」がどこにも載っていないのです。なので、教えてください。よろしくお願いします。

ご回答

■電波について■
テレビやラジオ、また携帯電話などの信号に使われている電波とよばれるものは交流の一種です。この電波は周波数(振動数)によって短波、超短波、マイクロ波などと呼ばれます。この交流は振動数が低い場合には電線などの線がないと伝わっていきません。家庭用電気の振動数は60Hz(50Hz)で、大変低いので電線が必要です。振動数が高くなると、針金なしで空中でも飛んで伝わるようになります。したがって、テレビやラジオ、携帯電話などは針金なし(無線)で使えます。

しかし、空中を飛ぶ電波は障害物によって邪魔をされます。とくに、金属が障害物になると反射されて跳ね返されてしまいます。だから、鉄筋コンクリートの建物内や地下街ではアンテナなどを使って電波を導いてやらないと伝わりません。電子レンジの覗き窓にも工夫がしてあって、電波が外に漏れ出ないようにしてあります。

■金属が電波を反射するのは何故?■
さて、金属が電波を反射するのは何故でしょうか。金属の一番の特徴は自由に動ける電子が一杯詰まっていることです。この電子が電流を運びますので、金属は電気をよく通します。交流に対しても全く同じで、金属の表面のところにやってきた電波は、金属の表面に近い電子に動くように指示を与えます。表面にも自由に動く電子が一杯ありますので、交流の指令を受けた電子は右に左に動き回り、電波の指令をそれ以上金属の中の方へ伝えないようにします(遮蔽効果)。電波は仕方なく、元来た方向に帰っていきます。これが電波の反射です。

指令を受けて、動き回った表面の電子の中には、動きすぎて勢い余って金属の中から空中に飛び出す電子も出てきます。空中に飛び出した電子が電気を伝えやすい何か他の物体に飛び移ると、光(火花)や音(パチ)や熱を出してその物体に飛び込みます。これが放電です。

■電子レンジに金属を入れると、どうして危険?(物理の視点から)■
電子レンジの中にはマグネトロンという強い電波を発生する装置が仕組まれています。この電波の振動数は2450メガHzで、1秒間に25億回も振動しています。このように、電子レンジ内に金属を入れると、強い電波によって加速された金属内の電子によって放電が頻繁に起こり、危険であると同時に電子レンジ本体にも良くないわけです。コーヒーコップやお皿に薄い金属の飾りが施してある場合があります。この場合には非常に薄い金属なので、全てが表面と考えることができます。すると、全ての表面の電子が走り回ることになりますから、異常に熱が発生して金属でも焦げたり、熔けたりします。これも拙いことです。

ところで、水分子内には自由に動ける電子はほとんどなく、電子レンジ内のマグネトロンによって発生した電波によって、効率よく(共鳴)水分子全体が揺らされる(この揺れが熱)ので加熱されます。この揺れの振動数が丁度2450メガHzです。

■電子レンジに金属を入れると、どうして危険?(メーカーの視点から)■
電子レンジを設計している側から、金属容器を入れないで下さいと言う理由を以下に述べます。

金属容器を入れて加熱すると金属容器によって反射波が多く発生し、マグネトロンのアンテナに電波が多く戻ってゆき、温度上昇が大きくなり、マグネトロン寿命の劣化や、放電が発生しやすく、電子レンジの故障原因となります。
 
金属容器がオーブンの壁面等に近づいていると、オーブンの壁面と容器の間で放電が起こり、この場合も電子レンジの故障原因となります。又このような状態が発生すると、ユーザーが音や光で驚かれ、ユーザークレームが多発する事となり、メーカーとしては金属容器の使用を禁止する必要があります。

■電子レンジのしくみ■
通常使用状態では電子レンジの電波は?マグネトロンの?アンテナから電波が発振され?導波管を経由して?オーブンにはいり直接あるいは反射を繰り返しながら大半の電波は?食品(水分)に吸収され食品が加熱されます。(厳密には食品を加熱したときでも一部は反射波がマグネトロンのアンテナに戻ってきて若干の温度上昇が発生していますが)食品をいれずに加熱したり、金属容器を使用すると反射波が多く発生し、上記のような故障の原因となります。

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