为什么微波炉加热两粒葡萄会火花四溅?

北京时间1月5日消息,据国外媒体报道,当人们将葡萄放入微波炉内加热时,竟然会产生火花,这是为什么呢?当两个切半的葡萄紧连在一起放入微波炉,就会上演一场壮观的火花秀,微波产生等离子体,但为什么会发生该现象的复杂物理学一直是理论界争议的焦点,最终,一项高精度的实验揭晓了其中的谜团——这是典型的电磁作用,而不是复杂的共振现象。

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为什么微波炉加热两粒葡萄会火花四溅?

葡萄在微波炉中冒火花不是导电所致

这张静态图像来自两个球形水凝胶的实验,呈现该重要实验中首次出现火花。

这张静态图像来自两个球形水凝胶的实验,呈现该重要实验中首次出现火花。

20多年以来,微波加热葡萄一直是制造等离子体的流行方法,而且该过程会呈现壮观的火花秀,人们在自己家中就可实现这一过程,具体操作如下:将一粒葡萄一切为二,仅留下薄薄的葡萄皮连接切开的两瓣葡萄,然后将其放入微波炉,但不要使用旋转托盘进行加热,这样人们就可以坐在微波炉旁,欣赏微波炉里火花飞溅!

许多人认为,这些火花仅是由于导电引起的——微波与葡萄相互作用,造成两个葡萄瓣之间的电势差异,当电势足够大时,电流就会流动,当电流流过葡萄皮时,由于葡萄皮的电阻,会将葡萄皮加热,最终,电子被踢出原子核,产生非常显著的等离子效应。

以下是如何在微波炉中让葡萄发光的科学原理:

我们要做的第一件事,就是检验该实验的前提条件,当我们对某些现象形成认知时,不只是将想法猜测付诸实践,更是需要回到起点——我们最初形成的假设条件,并确保它们实际上是一个有效的起点。

在这种情况下,假设葡萄需要被分离,这样两个葡萄瓣几乎完全分离,但仅有薄葡萄皮连接在一起,这一层薄葡萄皮是固态,但缺乏连接两瓣葡萄内部含水的导电性。

我们能做的最简单测试就是取两个完全独立的葡萄,重复这项实验,我们不是把一粒葡萄几乎完美地切成两半,而是把两粒葡萄紧放在一起,靠得很近,几乎可以触碰到,但又不完全触碰到。如果电传导性是葡萄微波实验的关键机制,就不会有火花产生,没有等离子体,也不存在电荷交换。

结果显示,当我们进行该实验时,会发现之前假设理论存在的缺陷,即导电性是两粒葡萄之间产生火花的核心机制。我们发现事实上连接两瓣葡萄的葡萄皮不是该过程的重要组成部分,两瓣葡萄之间的实体连接不是必要存在的,为了解释我们所观察到的现象,肯定存在某些机制发挥着重要作用。

葡萄就像一个谐振腔!

当一颗葡萄被接近完美地切成两半,但有葡萄皮连接它们,将葡萄放入微波炉中加热,结果显示葡萄出现火花,沿着葡萄皮产生等离子体。

当一颗葡萄被接近完美地切成两半,但有葡萄皮连接它们,将葡萄放入微波炉中加热,结果显示葡萄出现火花,沿着葡萄皮产生等离子体。

2019年,由哈姆扎·哈塔克、帕布洛·毕努兹和艾伦·斯勒普科维三位科学家组成的研究团队发表一篇论文,表示共振效应是导致葡萄在微波炉里冒火花的主要原因,葡萄就像一个谐振腔,尽管微波波长大约是葡萄直径10倍,但微波产生的电磁场会集中在葡萄内部。随后研究人员推测称,共振效应最终会在葡萄上产生“热点”,尤其是两粒葡萄瓣的连接处。

通过将热成像和计算机模拟结合在一起,他们相信能解释这个长期存在的“家庭谜团”。他们的结论关键来自热成像研究,无论是使用两粒葡萄,还是一对葡萄大小的水凝胶,当微波加热时,他们将一个热测量红外摄像机对准这些物体,如果微波均匀地加热内部材料,葡萄或者水凝胶的温度就会均匀升高,只有当某些不均匀加热发生时,物体上会形成一个或者多个“热点”,才会通过更复杂的理论进行解释。

“热点”和谐振效应

研究人员观察到“热点”并不是在葡萄任何部分形成,而是在两个葡萄粒之间的连接处,或者是最邻近部分,无论他们在实验中使用仅有葡萄皮连接的两个葡萄瓣,或是剥皮后的葡萄,还是两个水凝胶球,都会出现相同现象——加热主要发生在两个物体相互接触的部分。

然而,真正令人兴奋和意想不到的是在两个表面接触位置——波长压缩了大约80倍,使两个物体的共振前所未有地增强。通过将热敏纸放在两粒葡萄之间的稀薄空气间隙中,他们能够看到哪一粒葡萄“蚀刻”在热敏纸上,从理论上讲,这种蚀刻的分辨率应该受到电磁波衍射极限的限制:全波长的一半,微波炉里微波波长大约有6.4厘米,甚至比葡萄直径更大。

当然,光穿过一种介质时,其波长会发生显著变化,而像水、水凝胶或者葡萄内部这样的介质也会拥有不同于空气或者真空的介电特性。但不知何种原因,热敏纸上的蚀刻图像仅有1.5毫大小,因此研究人员得出结论称,微波在两个物体之间的界面被压缩了40倍以上。

如果这是真的话,那么该实验将对光子学产生深远影响:研究人员能够利用光来达到超出衍射极限的分辨率,此前这一直被认为是不可能实现的。

但这是正确的吗?尽管该解释产生的预测被认为是不可能的,但人们不能简单地接受它的表面价值,可以检测这项关键性试验,研究一下预测结果是否真的会发生,这是非常重要的。

然而,你可以基于潜在假设进行测试,今年10月份,发表在《等离子体物理学》在线期刊的一项研究报告进行了该实验。葡萄在微波炉中出现火花的主要原因是产生的共振,而不是热点效应,研究小组假设了另一种机制:在两个葡萄半球或者水凝胶之间的小间隔中建立电场,他们将两个半球想象成为电偶极子,在球体两侧聚集了相等数量的相反电荷,这种极化导致在球体之间的间隙产生很大电势,当电势足够大的时候,火花就会跳过间隙,这是一种纯粹的电现象。事实上,如果你曾在维姆胡斯特起电机(一种静电发电机)转动曲柄,类似葡萄瓣冒火花的现象就会出现。

有趣的实验

无论是与皮桥相连的葡萄半球(A)、两颗葡萄(B)还是两颗无皮水凝胶球(C)之间,等离子体火花不仅存在,而且反映了负责产生等离子体的钾离子和钠离子。

无论是与皮桥相连的葡萄半球(A)、两颗葡萄(B)还是两颗无皮水凝胶球(C)之间,等离子体火花不仅存在,而且反映了负责产生等离子体的钾离子和钠离子。

这是非常有趣的现象,因为电荷积累和放电过程中的电能释放,也会引起快速局部加热,换句话讲,早期研究提出的关于电磁热点的解释并非唯一方法。依据最新研究,电热点很可能是“罪魁祸首”,该解释无需假设衍射极限,如果火花是本质上是电,而不是电磁,这将意味着它是基于电子转移,而不是光的共振累积,那么该实验与衍射极限完全无关。

当然,关键是要弄清楚要进行怎样的测试,从而确定这两种解释中哪一个是正确的,幸运的是,我们可以执行一个非常简单的测试,如果在两个球体表面形成电磁热点,就会在球体之间产生更大的辐射压力,导致球体相互排斥。然而,如果这些电热点是由球体间隙聚集相反电荷而形成的,那么就会产生一种相互吸引的电作用力。

这看起来很简单,是吧?如果我们想排除其中的某个解释,就让两个球体保持很小距离进行实验,通过微波进行加热仔细观察。

如果电热点解释论是正确的,那就意味着电场导致两个球体偏振极化,如果球体沿着电场的方向排列,它们之间就会产生一个很大的电压,然后两个球体就会靠得更近,接着就会产生火花和等离子体分解,如果球体垂直于电场排列,就不会出现火花效应。

如果电磁热点解释论是正确的,那就意味着水滴内外将会出现变化的电磁场,这两滴水将会形成热点,彼此排斥并产生火花,不论水滴在微波炉中的方向是怎样的。

具有三种不同间隙的两粒葡萄,在用微波炉照射加热后,达到特定温度,间隙最小的温度最高,时间平均能量密度在最窄间隙之间温度最高。

具有三种不同间隙的两粒葡萄,在用微波炉照射加热后,达到特定温度,间隙最小的温度最高,时间平均能量密度在最窄间隙之间温度最高。

这就是我们期望获得的一种区分以上两种状况的方法,如果我们想让其中至少一个失效,所需要做的就是自己进行实验。

进行的第一个实验是简单的电热点概念验证,研究人员没有使用微波谐振腔,而是使用平行板电容器,这是一种电气装置,其中一侧装载正电荷,另一侧装载等量的负电荷,他们将电容器内部的两个球体以两种不同的构型排列起来,一个球体平行电场,另一个球体垂直电场。

正如人们所预料的那样,这些球体沿着电场极化方向排列,彼此吸引,然后迅速升温,而那些垂直电场排列的球体既不移动,也不升温。接下的步骤是最关键的:将两个球体置于微波辐射之中,使用高速摄影和超精确的方法测量它们的初始运动是朝向对方还远离对方。如果两个球体是彼此吸引的,就支持电热点解释观点,而如果它们是彼此排斥的,就支持电磁热点的观点。

正如以下视频清晰地展示,这两个葡萄大小的球体,在微波辐射和电势的驱动下,最初仅相隔1.5毫米,它们相互吸引,产生移动,以至于它们最终接触在一起,在接触瞬间或者接触之前,两个球体的能量被释放,最终导致等离子体、电离和震憾视觉效果形成。

然而,尽管能量释放和随之而来的等离子体显示很壮观,但这并不是最有趣的科学内容,这里的关键是两个球体相互吸引。事实上,研究人员通过改变微波频率,进一步排除了电磁热解释,如果这是一个共振现象,基于此前的研究推测,火花仅会出现在一个特定波长范围,但实际上火花在所有频率范围内都存在。

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