Lò vi sóng làm nóng thức ăn bằng một điện trường đổi chiều khoảng 2,45 tỷ lần mỗi giây. Các phân tử phân cực, chủ yếu là nước, liên tục bị kéo xoay theo trường nhưng không theo kịp hoàn toàn, va chạm với phân tử xung quanh, và năng lượng của sóng chuyển thành chuyển động nhiệt hỗn loạn. Hiện tượng này gọi là gia nhiệt điện môi.
Vi sóng không nấu chín “từ trong ra ngoài”. Sóng thấm vào thức ăn sâu cỡ vài centimet tuỳ loại, phần bên trong sâu hơn nóng lên nhờ dẫn nhiệt như mọi cách nấu khác. Vi sóng cũng không làm thức ăn “nhiễm xạ”: năng lượng mỗi photon vi sóng nhỏ hơn hàng trăm nghìn lần mức cần để bẻ một liên kết hoá học, và khi tắt lò thì sóng biến mất ngay.
Bài dưới đi từ ống magnetron tạo sóng đến vật lý của sự hấp thụ, giải thích vì sao lò nóng không đều, vì sao kim loại tóe lửa, và kèm một thí nghiệm dùng chính lò vi sóng để đo tốc độ ánh sáng.
Magnetron: trái tim tạo sóng của lò
Nguồn vi sóng trong lò gia dụng là magnetron khoang cộng hưởng, loại ống chân không phát triển mạnh trong Thế chiến II để làm radar. Câu chuyện thường được kể là kỹ sư Percy Spencer của hãng Raytheon nhận thấy thanh kẹo trong túi bị chảy khi đứng gần magnetron đang hoạt động, rồi nộp đơn sáng chế cho thiết bị nấu ăn bằng vi sóng vào giữa thập niên 1940. Chi tiết thanh kẹo xuất hiện trong nhiều nguồn nhưng mang màu giai thoại; việc Raytheon phát triển lò vi sóng thương mại đầu tiên thì có tư liệu rõ ràng.
Về cấu tạo, magnetron gồm một cathode nóng ở giữa phát electron, bao quanh bởi khối anode đồng có các khoang cộng hưởng. Một nam châm vĩnh cửu tạo từ trường song song với trục. Điện áp cao, cỡ vài kilôvôn do biến áp và mạch nhân áp tạo ra, kéo electron về phía anode, nhưng từ trường bẻ cong quỹ đạo khiến chúng xoay vòng quanh cathode. Đám electron xoay tương tác với các khoang cộng hưởng, tự tổ chức thành những “nan hoa” điện tích quay, và trao năng lượng cho dao động điện từ ở tần số do kích thước khoang quyết định.
Sóng được dẫn qua một ống dẫn sóng kim loại vào khoang nấu. Khoang có vách kim loại phản xạ sóng qua lại, nên năng lượng không bị hấp thụ hết ở lần đầu sẽ có cơ hội được thức ăn hấp thụ ở các lần phản xạ sau. Chạy lò rỗng nguy hiểm vì khi không có gì hấp thụ, năng lượng phản xạ dội ngược về magnetron và làm nó quá nhiệt.
Gia nhiệt điện môi: vì sao nước nóng lên, và vì sao không phải “cộng hưởng”
Phân tử nước có điện tích phân bố lệch: phía oxy hơi âm, phía hai hydro hơi dương, tạo thành một lưỡng cực điện. Trong điện trường, lưỡng cực có xu hướng xoay theo chiều trường. Khi trường đổi chiều hàng tỷ lần mỗi giây, các phân tử bị kéo qua lại, nhưng mạng liên kết hydro dày đặc trong nước lỏng cản trở chuyển động này. Phần năng lượng bị “ma sát” tiêu tán chuyển thành nhiệt.
Một hiểu lầm phổ biến, xuất hiện cả trong sách phổ thông, là 2,45 GHz là “tần số cộng hưởng của nước”. Thực tế phổ hấp thụ của nước lỏng không có đỉnh nhọn ở đó. Mức hấp thụ do cơ chế hồi phục lưỡng cực tăng dần và đạt cực đại ở tần số cao hơn nhiều, cỡ hai chục gigahertz ở nhiệt độ phòng. Nếu chọn đúng đỉnh hấp thụ, sóng sẽ bị lớp ngoài cùng nuốt hết và bên trong thức ăn lạnh ngắt.
Tần số 2,45 GHz được chọn chủ yếu vì hai lý do: nó nằm trong băng tần dành cho thiết bị công nghiệp, khoa học, y tế (ISM) được phép phát mà không cần giấy phép riêng, và nó cho độ thấm sâu hợp lý vào thức ăn, cỡ vài centimet. Lò công nghiệp cỡ lớn còn dùng băng 915 MHz để sóng thấm sâu hơn.
Muối và các ion hoà tan cũng hấp thụ vi sóng qua cơ chế dẫn ion, nên thức ăn mặn nóng nhanh ở bề mặt hơn. Dầu mỡ hấp thụ kém hơn nước nhưng có nhiệt dung riêng thấp, nên vẫn có thể nóng nhanh và đạt nhiệt độ cao hơn 100 °C vì không bị giới hạn bởi điểm sôi như nước.
Vì sao lò vi sóng nóng không đều
Sóng đứng tạo điểm nóng và điểm lạnh. Sóng phản xạ qua lại trong khoang kim loại giao thoa với nhau, tạo vùng cường độ cao và vùng gần như bằng không xen kẽ, cách nhau cỡ nửa bước sóng, khoảng 6 cm. Đĩa xoay đưa thức ăn đi qua nhiều vùng; một số lò không có đĩa xoay dùng cánh quạt kim loại xoay ở đường dẫn sóng để khuấy trường.
Độ thấm sâu có hạn. Với thức ăn nhiều nước, cường độ sóng giảm nhanh theo độ sâu, phần lớn năng lượng được hấp thụ ở vài centimet ngoài cùng. Miếng thịt dày phần lõi chỉ nóng nhờ dẫn nhiệt, nên hướng dẫn thường yêu cầu để yên vài phút sau khi hâm để nhiệt độ cân bằng.
Hình dạng tập trung sóng. Góc và cạnh của khối thức ăn nhận sóng từ nhiều phía nên nóng nhanh hơn; khối tròn có thể hội tụ sóng vào giữa. Xếp thức ăn thành vòng, phần dày ra ngoài, giúp chín đều hơn.
Nước đá hấp thụ kém hơn nước lỏng rất nhiều. Trong băng, phân tử nước bị khoá trong mạng tinh thể, gần như không xoay được. Khi rã đông, vùng nào tan trước sẽ hấp thụ mạnh hơn hẳn và nóng nhanh hơn nữa, một vòng phản hồi dương khiến mép thức ăn chín trong khi lõi còn đá. Chế độ rã đông xử lý bằng cách bật tắt công suất theo chu kỳ để nhiệt có thời gian lan ra.
Công suất thấp kiểu cũ là bật tắt. Ở lò thông thường, mức công suất 30% nghĩa là magnetron chạy hết công suất 30% thời gian. Lò dùng biến tần (inverter) cấp công suất thấp liên tục, giúp rã đông và hâm nóng đều hơn.
Kim loại trong lò: khi nào tóe lửa, khi nào an toàn
Kim loại là vật dẫn điện tốt, nên vi sóng không thấm vào mà phản xạ khỏi bề mặt, đồng thời tạo dòng điện cảm ứng chạy trên bề mặt đó. Ở chỗ có cạnh sắc, đầu nhọn hay khe hẹp, như mép giấy bạc nhàu, dĩa có răng, viền mạ vàng trên chén, điện trường tập trung mạnh đến mức ion hoá không khí, tạo tia lửa. Lá kim loại quá mỏng còn có thể nóng đỏ vì dòng cảm ứng.
Ngược lại, một vật kim loại nhẵn, tròn cạnh, đặt cách xa vách lò thường không gây tia lửa, và chính khoang lò cũng là kim loại. Nhiều lò có giá kim loại được thiết kế riêng. Nhưng thức ăn đựng trong hộp kim loại kín sẽ không nóng vì sóng bị chặn ngoài vỏ.
Cửa lò minh hoạ cùng nguyên lý theo chiều ngược lại: tấm lưới kim loại với lỗ nhỏ chỉ vài milimet hoạt động như một lồng Faraday. Sóng có bước sóng khoảng 12 cm không lọt qua được lỗ nhỏ hơn bước sóng rất nhiều, trong khi ánh sáng nhìn thấy có bước sóng chưa tới một micromet đi qua dễ dàng, nên bạn nhìn được vào trong mà sóng không thoát ra. Gioăng cửa còn được thiết kế dạng bẫy sóng để chặn rò rỉ ở khe hở.
Vì thế lò vi sóng có vỏ, cửa và bản lề nguyên vẹn rò rỉ rất thấp. Lò có cửa cong vênh, khoá hỏng hay lưới thủng nên ngừng dùng thay vì sửa tạm.
Thí nghiệm: đo tốc độ ánh sáng bằng lò vi sóng và một thanh sô-cô-la
Vì sóng đứng tạo các điểm nóng cách nhau nửa bước sóng, bạn có thể đo bước sóng và suy ra tốc độ ánh sáng với dụng cụ trong bếp. Thí nghiệm này thường dùng trong lớp vật lý phổ thông.
- Tháo đĩa xoay (đặt một đĩa úp ngược lên trục để thức ăn không quay). Thức ăn phải đứng yên để các điểm nóng không bị san đều.
- Đặt một lớp mỏng và phẳng của sô-cô-la, phô mai lát hoặc bánh tráng phết bơ lên đĩa, phủ kín một vùng rộng.
- Bật lò ở công suất cao khoảng 15–25 giây, đến khi thấy vài vết tan chảy rời rạc. Tắt lò ngay khi các vết rõ.
- Đo khoảng cách giữa hai vết tan cạnh nhau. Kết quả thường quanh 6 cm. Khoảng cách này là nửa bước sóng, nên bước sóng λ ≈ 12 cm.
- Đọc tần số ghi trên nhãn phía sau lò (thường 2.450 MHz) và tính c = λ × f. Ví dụ với 6,1 cm đo được: c ≈ 0,122 m × 2,45 × 10⁹ Hz ≈ 3,0 × 10⁸ m/s.
Sai số đến từ việc vết tan có kích thước, kiểu sóng đứng ba chiều trong khoang không hoàn toàn đơn giản, và tần số magnetron thực tế dao động quanh danh định. Kết quả lệch vài phần trăm là bình thường; điểm hay của thí nghiệm là cho học sinh thấy bước sóng là một đại lượng có thể chạm tay vào.
Vi sóng có an toàn không: phân biệt rủi ro thật và lo ngại sai
Những câu hỏi về an toàn lò vi sóng nên được tách theo cơ chế vật lý, vì có cái đáng lo thật, có cái không có cơ sở.
- Không có “phóng xạ tồn dư”: năng lượng photon ở 2,45 GHz chỉ khoảng 10⁻⁵ eV, trong khi phá liên kết hoá học hay ion hoá cần cỡ vài eV. Vi sóng là bức xạ không ion hoá, tác động sinh học đã biết là làm nóng. Tắt lò là hết sóng, thức ăn không giữ lại gì.
- Dinh dưỡng: các nghiên cứu so sánh cho thấy hâm nấu bằng vi sóng nhìn chung giữ vitamin tan trong nước tốt ngang hoặc hơn luộc, vì thời gian ngắn và ít nước. Kết quả cụ thể thay đổi theo loại rau và cách làm.
- Bỏng do nước quá nhiệt — rủi ro có thật: nước trong cốc thành nhẵn, hâm lâu, có thể vượt 100 °C mà không sôi vì thiếu điểm tạo bọt. Khi bạn chạm vào hoặc thả đường vào, nước sôi bùng đột ngột. Để cốc nghỉ chút ít hoặc đặt que gỗ, thìa nhựa chịu nhiệt vào cốc giúp tránh hiện tượng này.
- Hộp nhựa: nhựa không phù hợp có thể biến dạng và có lo ngại về hoá chất thôi nhiễm khi nóng. Dùng thuỷ tinh, gốm sứ hoặc hộp được nhà sản xuất ghi rõ dùng được cho lò vi sóng là cách thận trọng.
- Trứng nguyên vỏ và thực phẩm có vỏ kín: hơi nước sinh ra bên trong không thoát được, áp suất tăng có thể làm vỡ tung, kể cả sau khi lấy ra.
- Thiết bị y tế cấy ghép: lò nguyên vẹn rò rỉ rất thấp và máy tạo nhịp hiện đại được che chắn; người mang thiết bị cấy ghép nên làm theo hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị và bác sĩ điều trị.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đĩa sứ có lúc nóng hơn cả thức ăn?
Một số loại gốm và men chứa thành phần hấp thụ vi sóng, hoặc hút ẩm qua các vi lỗ nên tự nóng lên. Đĩa cũng nhận nhiệt dẫn ngược từ thức ăn nóng. Đặt một đĩa trống cùng cốc nước trong lò chạy một phút rồi so nhiệt độ là cách đơn giản để kiểm tra đĩa có hợp dùng trong lò vi sóng không.
Wi-Fi cũng dùng băng tần 2,4 GHz, vậy có làm nóng người không?
Cùng dải tần nhưng công suất chênh lệch cực lớn: lò vi sóng gia dụng cỡ 700–1.200 W tập trung trong một khoang kín, còn bộ phát Wi-Fi chỉ cỡ phần mười oát trở xuống và lan toả ra mọi hướng. Mật độ năng lượng tới cơ thể từ Wi-Fi nhỏ hơn hàng chục nghìn lần mức gây tăng nhiệt đáng kể.
Vì sao lò vi sóng đang chạy làm Wi-Fi chập chờn?
Lò rò rỉ một lượng nhỏ năng lượng, dù trong giới hạn an toàn, vẫn đủ mạnh so với tín hiệu Wi-Fi yếu ở cùng băng 2,4 GHz. Vì thế kết nối gần lò có thể chậm khi lò chạy. Chuyển bộ phát sang băng 5 GHz hoặc đặt xa lò thường giải quyết được.
Lò vi sóng có tiết kiệm điện hơn bếp điện không?
Với lượng thức ăn nhỏ thì thường có, vì năng lượng đi thẳng vào thức ăn thay vì làm nóng nồi, mặt bếp và không khí. Hiệu suất chuyển điện thành vi sóng của magnetron chỉ khoảng một nửa đến hai phần ba, nhưng tổn thất ở các khâu khác ít. Với nồi lớn nấu lâu, ưu thế giảm dần.
Vì sao bánh mì hâm bằng lò vi sóng dễ bị dai và cứng?
Vi sóng làm nước trong bánh nóng nhanh và bay hơi, đồng thời tinh bột đã hồ hoá dễ tái kết tinh khi nguội lại, khiến bánh dai rồi cứng nhanh. Lò không tạo được lớp vỏ giòn vì bề mặt không vượt nhiều quá 100 °C khi còn ẩm. Lò kết hợp nướng hoặc bọc giấy ẩm khi hâm cải thiện phần nào.
Hâm thức ăn bằng lò vi sóng có diệt hết vi khuẩn không?
Vi khuẩn chết do nhiệt, không phải do vi sóng trực tiếp. Vì lò nóng không đều, có thể còn vùng lạnh trong thức ăn chưa đạt nhiệt độ an toàn. Đảo đều, đậy nắp để giữ hơi nước, để yên vài phút sau khi hâm và kiểm tra phần dày nhất là cách làm giảm rủi ro này.