เตาอบไมโครเวฟ

25 พฤษภาคม 2559

 

        เตาอบไมโครเวฟเป็นเตาที่สร้างคลื่นไมโครเวฟจากพลังงานไฟฟ้ามาทำให้อาหารร้อน ไมโครเวฟที่ใช้กันทั่วไปเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ราว 2.45 GHz (2.45 x 109 เฮิรตซ์) หรือความยาวคลื่นราว 12.2 เซนติเมตร ที่ถือว่าอยู่ในย่านความถี่ที่สามารถสั่นโมเลกุลของอาหาร โดยเฉพาะส่วนที่มีน้ำและ/หรือไขมันเป็นองค์ประกอบแล้วทำให้ร้อนขึ้น  ในอาหารที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบอย่างสม่ำเสมอ  ผลที่เกิดขึ้นสามารถเข้าไปได้ลึก ราว 2.5-3.8 เซนติเมตร อาหารที่มีองค์ประกอบไม่สม่ำเสมอต้องการวิธีการเฉพาะในการทำให้ร้อน  อย่างไรก็ตาม ความถี่นี้ไม่ใช่ความถี่เดียวที่ใช้ เตาอบไมโครเวฟในอุตสาหกรรมมักใช้ความถี่ราว 0.915 GHz หรือความยาวคลื่น 32.8 เซนติเมตร เตาไมโครเวฟเป็นที่นิยมในการอุ่นอาหารที่ปรุงสุกมาก่อนแล้ว อุ่นเนย ไขมัน และชอกโกแลต เพราะเตาชนิดนี้นอกจากใช้สะดวกมากแล้ว ยังไม่ทำให้เกิดสีน้ำตาลหรือสีคาราเมลดังเตาอบชนิดอื่น

 

 

รูปที่ 1 แสดงให้เห็นอุปกรณ์สำคัญของเตาอบไมโครเวฟ โดยเฉพาะหลอดแมกนีตรอน (Magnetron) และท่อนำคลื่น (waveguide) ผนังทั้ง 5 ด้านของห้องใส่อาหารทำด้วยแผ่นโลหะผิวเรียบที่ไม่บางจนเกินไปและเชื่อมต่อกันสนิท  ส่วนที่บานประตูปิด-เปิด ถึงแม้ทำด้วยกระจกเพื่อให้มองเห็นภายในได้ แต่ก็เคลือบด้านในด้วยสารที่เป็นตัวนำไฟฟ้าในลักษณะคล้ายตาข่าย (mesh) โดยเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องใสมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นหลายเท่า คลื่นไมโครเวฟจึงมองเห็นตาข่ายนี้เป็นเสมือนแผ่นตัวนำทึบ (ในกรณีของแสงที่ตาเห็น (visible light) จะมีความยาวคลื่นระหว่าง 3.8x10-4 – 7.5x10-4 มิลลิเมตร ซึ่งเล็กกว่าขนาดของช่องใส จึงทะลุผ่านออกมาได้ ทำให้เราสามารถเห็นของภายในได้) ดังนั้นเมื่อปิดประตูสนิทแล้ว ผนังตัวนำไฟฟ้าทั้ง 6 ด้านจะทำหน้าที่เป็นกรงฟาราเดย์ (Faraday cage) ที่จะกักคลื่นไมโครเวฟให้อยู่แต่ภายในห้องใส่อาหาร ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาภายนอกได้ (จากเว็บไซต์ : http://www.zmescience.com/science/physics/microwave-oven-from-ww2/)

 

          องค์ประกอบของเตาจึงมีอุปกรณ์ที่ให้กำเนิดคลื่นไมโครเวฟเป็นหลัก นอกจากนั้นเป็นองค์ประกอบย่อยเพื่อให้สะดวกแก่การใช้งาน รวมทั้งอุปกรณ์เพื่อความปลอดภัยในการใช้งาน ซึ่งจะแตกต่างไปตามยี่ห้อของผู้ผลิต อุปกรณ์ที่ให้กำเนิดคลื่นไมโครเวฟเรียกว่า Cavity magnetron

 

 

รูปที่ 2 ภาพวาดแสดงลักษณะทั้งภายในและภายนอกของหลอดแมกนีตรอน (Cavity magnetron) คลื่นไมโครเวฟจะถูกส่งออกไปจากปลายบน ซึ่งจากรูปที่ 1 ส่วนนี้จะต่อกับท่อนำคลื่น เพื่อบังคับให้คลื่นไมโครเวฟวิ่งไปถึงห้องใส่อาหารให้ได้มากที่สุด (จากเว็บไซต์ https://sites.google.com/a/deei.units.it/massimo-dalforno/home/electromagnetic-theory-devices/magnetron)

 

รูปที่ 3 ภาพวาดแสดงโครงสร้างของโมเลกุลน้ำ (H2O) ที่การกระจายของประจุไฟฟ้าบวก (อนุภาคโปรตอน) และลบ (อนุภาคอิเล็กตรอน) มีลักษณะว่าประจุไฟฟ้าบวกลัพธ์อยู่เยื้องมาทางฝั่งอะตอมไฮโดรเจน และประจุไฟฟ้าลบลัพธ์อยู่เยื้องไปทางฝั่งอะตอมออกซิเจน ซึ่ง electric dipole moment ของโมเลกุลน้ำ มีค่า6.1 x 10-30 C. m โดยมีทิศชี้จากประจุลบไปทางประจุบวก (จากเว็บไซต์ : http://blog.sevantownsend.com/2014/01/ice-ice-baby.html)

 

           ปัญหาที่เราจะตั้งไว้เป็นโจทย์ในบทความนี้ ก็คือ เหตุใดจึงไม่ควรใส่โลหะเข้าไปในเตาอบไมโครเวฟ การดูดกลืนพลังงานของน้ำหรือไขมันจากคลื่นไมโครเวฟแล้วร้อนขึ้นเป็นกระบวนการที่เรียกว่า การทำให้ร้อนแบบไดอิเลกตริก (dielectric heating) ซึ่งมีหลักการที่จะอธิบายพอเป็นสังเขปได้ดังนี้ กล่าวคือ ปรกติแล้ว โมเลกุลของอาหารที่มีองค์ประกอบของน้ำและไขมัน และวัสดุอื่น ๆ จะดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟแล้วแปรสภาพเป็นความร้อนในอาหาร ทั้งนี้เนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโมเลกุลของน้ำมีความเป็นขั้วไฟฟ้า (electric dipole) กล่าวคือโมเลกุลมีขั้วบวกทางด้านหนึ่งและเป็นขั้วลบที่อีกด้านหนึ่ง ทำให้โมเลกุลน้ำมีค่า electric dipole moment ที่เฉพาะเจาะจงค่าหนึ่ง (ดูรูปที่ 3) ซึ่งหมายความว่าเมื่อโมเลกุลเหล่านี้ที่เดิม electric dipole moment ชี้กันสะเปะสะปะ แล้วพยายามวางตัวขนานกับสนามไฟฟ้าของคลื่นไมโครเวฟ (ที่ก็กลับทิศไป-มาตลอดเวลา) ก็จะเกิดการหมุนขึ้น แล้วก็เกิดการชนกับโมเลกุลอื่น ๆ ที่หมุนอันเนื่องมาจากเหตุเดียวกัน การชนกันทำให้เสียพลังงานกลายเป็นความร้อนที่สะสมอยู่ในอาหาร อย่างไรก็ตาม เคยมีผู้กล่าวว่าความร้อนนี้เป็นการสั่นอภินาท (resonance) ของโมเลกุลน้ำ คำกล่าวนี้ยังไม่ถูกต้องเนื่องจากความถี่อภินาทของน้ำอยู่ที่ค่าสูงกว่า 1,000 GHz การเกิดความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟนี้ มีประสิทธิภาพสูงในกรณีที่เป็นน้ำมากกว่ากรณีที่เป็นน้ำแข็ง การทำให้ร้อนแบบไดอิเลกตริกนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย กล่าวคือที่ 0 องศาเซลเซียส ความร้อนเกิดสูงสุดที่ความถี่ 10 GHz แต่ที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ก็จะเกิดขึ้นที่ความถี่สูงกว่านั้นด้วย มีผู้พบว่าความร้อนที่เกิดกับอาหารที่ประกอบด้วยน้ำตาลและ triglyceride (ไขมัน และ น้ำมัน) มีค่าน้อยกว่าน้ำ ทั้งนี้เนื่องจากค่า electric dipole moment มีค่าน้อยกว่านั่นเอง อย่างไรก็ตามสารอาหารประเภทนี้มีค่าความจุความร้อนสูงกว่าจึงยังคงรักษาระดับอุณหภูมิที่สูงกว่าได้เมื่อถูกคลื่นในเตาอบไมโครเวฟ

 

 

รูปที่ 4 ภาพวาดแสดงให้เห็นลักษณะการหมุนกลับไป-กลับมาของโมเลกุลน้ำด้วยพยายามหันให้ทิศของ electric dipole moment ชี้ตามทิศทางของสนามไฟฟ้า (ลูกศรสีเขียว) ในคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งก็สลับทิศไป-มา นับเป็นพันล้านครั้งใน 1 วินาที (จากเว็บไซต์ : http://macrotomicro.blogspot.com/2011_02_01_archive.html)

 

          ในการใช้เตาอบไมโครเวฟนั้น จะได้รับคำเตือนไม่ให้นำโลหะหรือภาชนะที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบเข้าไปในเตาอบ เรามาหาเหตุผลว่าเหตุใดจึงไม่ควรทำเช่นนั้น

 

 

รูปที่ 5 การใช้แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ห่ออาหารที่จะนำไปอุ่นในเตาอบไมโครเวฟเป็นสิ่งที่ไม่ควรทำ (จากเว็บไซต์ : http://science.howstuffworks.com/aluminum-foil-in-the-microwave.htm)

 

          คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าและมีการสลับขั้วอย่างรวดเร็วตามความถี่ของคลื่น เช่น ที่ความถี่ 2.45 GHz ดังกล่าวข้างต้น มีการสลับขั้วไปมาถึง 2.45 พันล้านครั้งในหนึ่งวินาที ความแรงของคลื่นไมโครเวฟถูกกำหนดจากความเข้มหรือพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ เวลาที่มีสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าก็จะทำให้อนุภาคที่เป็นประจุไฟฟ้าของมวลสารของสิ่งที่อยู่ภายในเตาอบวิ่งกลับไปกลับมาตามทิศทางของสนามไฟฟ้า หากเป็นโลหะจะทำหน้าที่คล้ายสายอากาศรับคลื่นและสามารถทำให้มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นมากในโลหะนั้น โดยเฉพาะตรงรอยหักหรือรอยพับของโลหะอาจมีอนุภาคอิเล็กตรอนวิ่งหลุดออกมา ถ้ามีจำนวนมากจะทำให้อากาศบริเวณนั้นแตกตัวจนเกิดเป็นประกายไฟได้ การที่มีประกายไฟเกิดขึ้นเรียกว่ามีการสปาร์ค (spark) หากมีสารที่เป็นเชื้อเพลิงได้ในเตาอบก็สามารถเกิดการติดไฟขึ้นได้ โลหะเหล่านี้อาจเป็นแผ่นอลูมิเนียมที่ยับยู่ยี่ โลหะมีคมทั้งหลาย เช่นมีด ส้อม ช้อน เป็นต้น เมื่อมีการสปาร์คขึ้นก็อาจมีแก๊สโอโซนและไนโตรเจนออกไซด์ด้วย ซึ่งจะไม่เป็นผลดีกับรสชาดของอาหารที่ปรุงอยู่

 

 

รูปที่ 6 เตาอบไมโครเวฟเสียหายมากจากการเกิดการติดไฟของสิ่งที่อยู่ภายในห้องใส่อาหาร (จากเว็บไวต์ http://www.herebeanswers.com/2016/01/why-is-it-not-safe-to-put-metal-vessel.html)

 

          ปัญหาอีกประการหนึ่งที่เป็นข้อสงสัยอยู่เสมอ คือการถูกคลื่นไมโครเวฟโดยตรงจะเป็นอันตรายหรือไม่

          ปรกติแล้ว การถูกคลื่นหรือโดนคลื่นไมโครเวฟกระทบมักไม่เกิดขึ้นทั้งนี้เนื่องจากเตาอบถูกปิดอย่างแน่นหนาและมี safety switch ที่คอยควบคุมให้เครื่องทำงานก็ต่อเมื่อมีบานประตูปิดสนิทแล้วเท่านั้น โดยมาตรฐานของอเมริกัน ยอมให้มีการรั่วของคลื่นออกมาได้เพียง 5 มิลลิวัตต์ (1 ใน พันวัตต์) ต่อตารางเซ็นติเมตรเท่านั้น ซึ่งนับว่าน้อยมากเพื่อเทียบกับกำลังของไมโครเวฟที่มีค่าทั่วไปราว 800 วัตต์ อย่างไรก็ตามการหาคำตอบสำหรับคำถามนี้ยังคงน่าสนใจ เนื่องจากคลื่นชนิดนี้เป็นคลื่นที่มีความถี่ไม่สูงพอที่จะทำให้เกิดการทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนดังรังสีเอ็กซ์และคลื่นอนุภาคพลังงานสูงทั้งหลาย จึงไม่เสี่ยงต่อการเกิดมะเร็ง หรือทำให้อาหารกลายเป็นสารรังสีได้เลย ผลของคลื่นไมโครเวฟจึงเพียงแต่แปลงเป็นความร้อน สารอาหารอาจมีการแปรเปลี่ยนได้ แต่นั่นมิใช่ประเด็นที่เราอภิปรายอยู่ในขณะนี้ การโดนคลื่นโดยตรงด้วยสาเหตุใดก็ตาม สิ่งที่เกิดขึ้นได้ก็คือร่างกายส่วนที่โดนโดยเฉพาะอย่างยิ่งผิวหนัง เนื้อเยื่อ กล้ามเนื้อ ย่านที่ติดกับผิวหนัง อาจไหม้ได้เท่านั้นเอง

          โดยสรุปแล้ว เตาอบไมโครเวฟนั้น ปลอดภัยที่จะใช้งานมาก หากแต่ การใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำอาหารบางชนิดอาจจะไม่ถูกปาก ถูกใจ ดังเช่นเดียวกับการปรุงแบบดั้งเดิมที่เป็นการต้ม การปิ้ง การย่าง ที่เรา ๆ เคยใช้กัน

นำเสนอโดย

ศาสตราจารย์ ดร. วิชิต  ศรีตระกูล

ภาควิชาฟิสิกส์  คณะวิทยาศาสตร์  จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

E-mail : Wichit.s@chula.ac.th

บทความย้อนหลัง

หน้ากากผ้า


ฟิสิกส์ของการผัดข้าวผัด


ภาวะโลกร้อน: มุมมองเชิงฟิสิกส์


สนามแม่เหล็กโลก – สลับขั้ว?


ไฟฟ้ากับแมลง


กราฟีน : วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์


การกำจัดขยะด้วยพลาสมาร้อน


คาร์บอน-14


ดวงอาทิตย์กับกลศาสตร์ควอนตัม


กลศาสตร์ควอนตัมในชีวิตประจำวัน


การบำบัดรักษาด้วยลำอนุภาคโปรตอน (Proton Therapy)


เรื่องของหลอดไส้


เตาอบไมโครเวฟ


เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวเราที่ชื่อว่าไวฟาย (WiFi)


ประกวดออกแบบตราสัญลักษณ์ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์


ฟิล์มกันความร้อนติดรถยนต์


ฟิสิกส์ของรถจักรยาน


วิธีคลายร้อนให้เมือง


ทำไมคนเราถึงเดินแกว่งมือ


แอลอีดีความเข้มสูง (High Brightness LED)


บทความทั้งหมด