คลื่นไมโครเวฟ และหลักการทำงานของไมโครเวฟ

          เตาอบไมโครเวฟ ทำหน้าที่ให้ความร้อนกับอาหารโดยการแผ่คลื่นย่านความถี่ไมโครเวฟ ในยุคปัจจุบันคงไม่มีใครปฏิเสธว่าเตาอบไมโครเวฟไม่สำคัญในการดำเนินชีวิตสังเกตได้ว่าครอบครัวสมัยใหม่แทบจะทุกบ้านต้องมีไมโครเวฟอยู่ในห้องครัว เพราะเตาอบไมโครเวฟให้ความสะดวกในการปรุงอาหารและอุ่นอาหารในระยะเวลาสั้นๆ เราจึงพบว่ามีการใช้เตาอบไมโครเวฟในเกือบทุกบ้าน

ภาพเตาไมโครเวฟ
ที่มา https://pixabay.com/%20,%20clker-free-vector-images

          แนวความคิดในการใช้ คลื่นไมโครเวฟ ในการให้ความร้อนแก่อาหารนี้ ค้นพบโดย เพอร์ซี สเปนเซอร์ (Percy Spencer) ซึ่งทำงานที่บริษัทเรธีออน (Raytheon) ในขณะกำลังสร้าง แมกนีตรอนสำหรับใช้ในระบบเรดาห์ วันหนึ่งในขณะที่เขากำลังทำงานอยู่กับเรดาห์ที่กำลังทำงานอยู่ เขาได้สังเกตเห็นแท่งช็อกโกแลต ในกระเป๋าเสื้อของเขาละลาย อาหารชนิดแรกที่อบโดยตู้อบไมโครเวฟ คือ ข้าวโพดคั่ว และ ชนิดที่สองคือ ไข่ ซึ่งเกิดระเบิดขึ้นในขณะทำการทดลองอบ

หลักการทำงานและปล่อยคลื่นไมโครเวฟ

          การทำงานของเตาไมโครเวฟนั้น ทำหน้าที่เป็นเตาที่สร้างคลื่นไมโครเวฟจากพลังงานไฟฟ้ามาทำให้อาหารร้อน ไมโครเวฟที่ใช้กันทั่วไปเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ราว 2.45 GHz (2.45 x 109 เฮิรตซ์) หรือความยาวคลื่นราว 12.2 เซนติเมตร มีการสลับขั้วไปมาถึง 2.45 พันล้านครั้งในหนึ่งวินาที ความแรงของคลื่นไมโครเวฟถูกกำหนดจากความเข้มหรือพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ เวลาที่มีสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าก็จะทำให้อนุภาคที่เป็นประจุไฟฟ้าของมวลสารของสิ่งที่อยู่ภายในเตาอบวิ่งกลับไปกลับมาตามทิศทางของสนามไฟฟ้า หากเป็นโลหะจะทำหน้าที่คล้ายสายอากาศรับคลื่นและสามารถทำให้มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นมากในโลหะนั้น ที่ถือว่าอยู่ในย่านความถี่ที่สามารถสั่นโมเลกุลของอาหาร โดยเฉพาะส่วนที่มีน้ำ ไขมัน และน้ำตาลเป็นองค์ประกอบจะถูกดูดซับพลังงานของคลื่นที่ผ่านเข้าไปแล้วทำให้อาหารนั้นร้อนขึ้น  ในกระบวนการที่เรียกว่า การเกิดความร้อนในสารไดอีเล็กตริก (dielectric heating) เนื่องจากโมเลกุลส่วนใหญ่นั้นเป็นโมเลกุลที่มีขั้วไฟฟ้า คือ มีประจุบวก และ ประจุลบที่ขั้วตรงกันข้าม เมื่อคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งเป็นสนามไฟฟ้าผ่านเข้าไป โมเลกุลเหล่านี้ก็จะถูกเหนี่ยวนำและหมุนขั้วเพื่อปรับเรียงตัวตามสนามไฟฟ้าของคลื่น และคลื่นนี้เป็นสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงสลับไปมาจึงส่งผลให้โมเลกุลเหล่านี้หมุนกลับไปมาทำให้เกิดความร้อนขึ้น ในอาหารที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบอย่างสม่ำเสมอผลที่เกิดขึ้นสามารถเข้าไปได้ลึก ราว 2.5-3.8 เซนติเมตร และในอาหารที่มีองค์ประกอบไม่สม่ำเสมอต้องการวิธีการเฉพาะในการทำให้ร้อน  ตัวอย่างเช่นโดนัทไส้แยม หรือพายไก่ อาหารบางชนิด บางส่วนจะสุก บางส่วนไม่สุกส่วนอาหารแช่แข็งอาจจะยังแข็งตัวอยู่ถ้าไม่นำออกมาทิ้งไว้ให้น้ำแข็งละลายก่อน

          การถ่ายเทความร้อนของคลื่นไมโครเวฟ ตัวคลื่นไมโครเวฟเองไม่ได้เป็นตัวให้ความร้อน แต่ความร้อนที่เกิดขึ้นในวัสดุนั้นเกิดจากการดูดซับคลื่นไมโครเวฟแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน โมเลกุลมีขั้วในผลิตภัณฑ์อาหารซึ่งก็คือ น้ำ ส่วนที่เกิดปฏิสัมพันธ์กับคลื่นไมโครเวฟ (interaction) เมื่อน้ำอยู่ในสนามไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟ น้ำจะจัดเรียงตัวให้เป็นไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟ เช่นเดียวกันกับเศษขี้เลื่อยเหล็กที่พยายามจัดเรียงตัวในสนามแม่เหล็ก แต่เนื่องจากทิศทางของขั้วสนามไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟเปลี่ยนสลับไปมาหลายล้านๆครั้งต่อวินาที โมเลกุลของน้ำซึ่งถูกจำกัดด้วยพื้นที่เล็กๆในอาหารก็จะเริ่มหมุนในทิศทางหนึ่ง เมื่อสนามไฟฟ้าสลับขั้วโมเลกุลน้ำก็จะหมุนในอีกทิศทางหนึ่งด้วยความถี่สูงเช่นกัน การหมุนสลับกันนี้ทำให้เกิดพลังงานจลน์สูงและเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนในที่สุด สมการที่นิยมใช้ในการคาดคะเนปริมาณความร้อนที่ได้จากการดูดซับคลื่นไมโครเวฟ ดังแสดงด้านล่าง

                                        P = 2 TTε◦ε”fE

                                        E = ค่าความเข้มของสนามไฟฟ้า

                                        f = ค่าความถี่

                                        ε = ค่าไดอิเล็กทริกเริ่มต้น

                                       ε” = ค่าไดอิเล็กทริกสูญเสีย

          ในการใช้ไมโครเวฟอาหารจะเกิดความร้อนได้เมื่อกระทบกับคลื่นไมโครเวฟ ดังนั้น การที่คลื่นไมโครเวฟจะทะลุเข้าไปในชิ้นอาหารมากก็นับว่าเป็นการดีที่จะทำให้เกิดความร้อนอย่างทั่วถึงธรรมชาติของไมโครเวฟนั้น เมื่อกระทบกับสารประกอบไดอิเล็กทริกก็จะเกิดความร้อนขึ้นแล้ว พลังงานก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว อาหารใดมีค่า loss factor สูงก็จะให้ความร้อนสูงตามไปด้วย แต่ในขณะเดียวกันพลังงานในการเจาะทะลุเข้าไปในชิ้นอาหารก็จะยิ่งลดลง จึงทำให้ผ่านทะลุเข้าไปได้ในระยะสั้นๆ นอกจากนี้พบว่า คลื่นความถี่ไมโครเวฟที่ต่างกันจะทะลุผ่านไปในชิ้นอาหารได้ระยะที่ต่างกันด้วย เช่น คลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่ 915 MHz จะทะลุผ่านเข้าไปในชิ้นอาหารได้ลึกกว่าคลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่ 2,450 MHz

แหล่งที่มา

ศาสตราจารย์ ดร. วิชิต  ศรีตระกูล. (2016, 25 May).  เตาอบไมโครเวฟ.  สืบค้นเมื่อวันที่ 5 มิถุนายน 2562, จาก http://thep-center.org/src2/views/daily-life.php?article_id=16

ผศ. (พิเศษ) ดร.อภิสิทธิ์ ฉัตรทนานนท์. (2019, 22 February).  ใช้เตาอบ ไมโครเวฟ..ทำลายสารอาหารไหม โดย ผศ. (พิเศษ) ดร.อภิสิทธิ์ ฉัตรทนานนท์.  สืบค้นเมื่อวันที่  5 มิถุนายน 2562, จาก http://www.nst.or.th/article/article494/article49401.html

เตาอบไมโครเวฟ.  สืบค้นเมื่อวันที่ 7 มิถุนายน 2562, จาก https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B8%B2%E0%B8%AD%E0%B8%9A%E0%B9%84%E0%B8%A1%E0%B9%82%E0%B8%84%E0%B8%A3%E0%B9%80%E0%B8%A7%E0%B8%9F