電子レンジが食べ物を温められるのは、庫内に放たれたマイクロ波が食品の中の水分子を1秒間に24億回以上もゆさぶり、その動きが熱に変わるからです。火やヒーターで外からあぶるのとは違い、食べ物の中の水そのものが熱の出どころになる。水をほとんど含まない器や卵の殻が、電波を浴びても自分ではあまり温まらないのはそのためです。
電波の正体は1秒に24億回ゆれるマイクロ波
マグネトロンという真空管が電波を生む
電子レンジの心臓部は「マグネトロン」と呼ばれる装置です。円筒形の陽極の中心に線状の陰極を通した、一種の二極真空管にあたります。陰極に高い電圧をかけると熱電子が飛び出し、そこへ磁石の力を加えると電子の通り道が曲げられる。電子は陽極に届かないまま筒の中をぐるぐる回り、その回転と電場の変化のタイミングを合わせることでマイクロ波が出てくる仕組みです。
2450MHzは国際的に決められた周波数
電子レンジが使うマイクロ波は、国際的に2450MHzと定められています。1秒間に24億5000万回振動する電波で、波長はおよそ12cm。同じマイクロ波の仲間は携帯電話や衛星通信にも使われており、台所の家電と通信の電波は、じつは近い親戚どうしなのです。
※ MHz（メガヘルツ）とは、1秒間に100万回の振動を1とする周波数の単位です。2450MHzは1秒間に24億5000万回にあたります。
水分子はなぜ電波で熱くなる？
向きを変え続ける水分子
水の分子は、酸素の側がわずかにマイナス、水素の側がわずかにプラスに偏った形をしています。この偏りを持つ分子は電場がかかると向きをそろえようとし、電場の向きが入れ替わるたびに回ろうとする。マイクロ波の電場は1秒に24億回以上も向きを変えるので、水分子は休む間もなく小さな回転をくり返すことになります。
「摩擦熱」はおおまかなたとえ
一般向けの解説では、振動した水分子どうしがぶつかって摩擦熱が出る、と説明されることがよくあります。日本機械学会誌の解説記事も、冬の遊び「おしくらまんじゅう」にたとえていました。
研究者の見方はもう少し細かいものです。中部大学などの研究班は、水分子の動きをコンピューターで再現する計算で加熱の様子を調べました。電場で水分子が小さく回り、その動きが周りの分子とのやり取りを通じて熱へと散っていく。「こすれて熱くなる」は、この流れを大づかみに言い換えた表現と考えてよさそうです。
器や卵の殻が自分では温まらないわけ
熱を生むのが食品の中の水なので、水をほとんど含まないものは電波を浴びてもあまり温まりません。日本機械学会誌の解説は、水分を全く含まない卵の殻を温められないものの例に挙げています。陶器やガラスの器も同じ理屈で、取り出すときに熱いのは温まった料理から熱が移ったためです。
凍ったものが温まりにくいのはなぜ？
混じりけのない氷はほとんど温まらない
意外なことに、純粋な氷はマイクロ波ではほとんど温まりません。先の研究班の計算では、氷の中の水分子は強い水素結合で六角形の網目に組み込まれていて、回転できないため加熱されないという結果が出ています。同じH2Oでも、液体の水と氷は電子レンジにとってまったく別の相手なのです。
冷凍食品が解けるのは塩分の助け
冷凍ごはんや冷凍のおかずがレンジで解けるのは、食品の氷が純粋な氷ではないからです。同じ研究では、食塩を含む氷はイオンの周りで結晶の形がくずれ、そこから水分子が回れるようになって解凍が進むと示されました。食塩水そのものも、ほんの少し（1mol%ほど）の食塩で純粋な水の数倍よく温まるとされています。
解凍に弱い出力を使うのは温度差を抑えるため
一度解けた部分は水になるので、凍ったままの部分より先に温まっていきます。強い出力で一気に温めると、端だけ煮えて中は凍ったままというムラが起きやすい。東芝が2001年に出したER-A30S1は、連続した100Wと400Wを組み合わせる「スピード解凍」を業界初の機能としてうたっていました。弱い出力を挟むのは、解けた所と凍った所の差を広げすぎないための工夫と考えられます。
金属を入れると火花が出るのはなぜ？
金属は電波をはね返す
電子レンジのマイクロ波は、金属にははね返され、ガラスは通り抜けます。庫内の壁が金属でできているのは、電波を中に閉じ込めて何度も食品に当てるため。ところがアルミホイルや金・銀の飾りがついた器を入れると、そこで火花が散ってしまう。日立の案内も、金箔や銀箔の装飾がある食器・金属製の容器・アルミホイルを火花の主な原因に挙げています。
少ない食品や細かい野菜でも火花は出る
金属がなくても火花が出る場合があります。日立が挙げるのは、100g未満の少量の食品や、さいの目切り・千切りのにんじん・ミックスベジタブルのように水分が少なく細かいもの。庫内に何も入れずに動かしたときや、こびりついた食品のカスも原因になります。小さなものにマイクロ波が集中して加熱されるため、というのが日立の説明です。
火花が出たら水分と出力を見直す
日立が勧める対処の一つは、食品1つあたり100g以上にして水分を含ませ、ラップで包むこと。もう一つは出力を下げることで、500Wで20〜50秒ずつ様子を見ながら温め、ひじきのような細かい食品は200W以下に落とします。金属を入れたまま温めたり火花が出続けたまま使ったりすると発火のおそれがあるため、すぐに止めるのが鉄則です。
扉の網目が電波を閉じ込めている
網目の穴は波長12cmよりずっと小さい
扉のガラス越しに中が見えるのに、電波が外に出てこないのはなぜか。秘密は扉の内側に張られた金属の網にあります。波には一般に、自分の波長より十分に小さい穴を通り抜けにくい性質がある。マイクロ波の波長は約12cmなので、それよりずっと小さな穴の網なら、光は通しても電波は通さないというわけです。
庫内全体が電波のふたになる金属の箱
網だけでなく、庫内の壁も天井も金属で囲われています。電子レンジは、電波を外へ出さない金属の箱の中で、食品に何度も電波を当て直す道具ともいえる。マイクロ波は強いエネルギーを持ち、人の体にも影響を与えかねないため、こうして二重三重に遮っているのです。
ターンテーブルはなぜ回る？
庫内には電波の強い所と弱い所がある
金属の壁で反射したマイクロ波は庫内で重なり合い、強く当たる所と弱い所ができます。食品を同じ場所に置いたままだと、温まり方にムラが出てしまう。ターンテーブルは食品を回して位置を変え続けることで、マイクロ波をまんべんなく当てるための仕組みです。
平らな庫内のターンテーブルレス機も増えた
最近は庫内が平らな「ターンテーブルレス」の機種も多くなりました。東芝では2002年発売のER-V9が同社初のターンテーブルレスのオーブンレンジで、フラットな庫内は掃除がしやすいことが売りでした。食品を回すかわりに、庫内で電波を散らす工夫でムラを抑えているとされます。
ムラを減らす置き方と容器の扱い
加熱の途中で一度かき混ぜると、熱い所と冷たい所がならされます。いくつかの食品を一度に温めるときは、輪になるように並べて中央をあけるとムラが出にくい。容器は電子レンジ対応のものを選び、密閉容器はふたを少しずらしてから温めると中の蒸気が逃げて安全です。
飲み物の突沸と卵の破裂に気をつける
温めすぎた飲み物は突然ふき上がる
電子レンジで温めた飲み物が、取り出したとたんに激しく沸き立つことがあります。これが「突沸（とっぷつ）」で、水・牛乳・コーヒーのほか、カレーやシチュー・生クリーム・バターでも起こるとされる現象です。製品評価技術基盤機構（NITE）がまとめた事例では、陶磁器のカップに入れたインスタントコーヒーを1分温めて30分ほど置き、再び40秒ほど加熱しました。のぞき込んだ瞬間にコーヒーが噴き上がり、顔に全治3か月のやけどを負って目の角膜も傷つけています。
NITEの注意点は、設定時間を控えめにする・粉末は加熱前にかき混ぜる・口の広いカップを使う・温めすぎたら少し冷ましてから取り出す、の4つ。飲み物は温め直しのくり返しも含めて、加熱しすぎないことが一番の予防になります。
卵は溶きほぐしてから温める
殻や膜に包まれた卵を温めると、中で生まれた水蒸気の逃げ場がなく、内側の圧力が上がって破裂することがあります。国民生活センターによれば、電子レンジの取扱説明書では、溶きほぐした卵以外の加熱を禁じているのが一般的とのこと。ゆで卵の温め直しも、湯せんなど別の方法にしたほうが安心でしょう。
日本の電子レンジは業務用から始まった
国産第1号をめぐる二つの説
東芝の社史によると、日本初の電子レンジは東芝（当時の東京芝浦電気）が1959年に完成させた業務用のDO-2273Aで、市販の第1号機は1961年に発売されました。一方で家電Watchの用語解説は、シャープ（当時の早川電機工業）が1961年に開発し、翌1962年に業務用の販売を始めたことを日本初としています。どちらを第1号と数えるかは、完成した年で見るか売り出した年で見るかで変わりそうです。
家庭用は1968年、出力550Wで登場
家庭用コンセントで使える電子レンジとして東芝が出したのが、1968年のER-501です。出力は550W。いまの家庭用でよく見る500W・600Wの設定と大差ない力が、半世紀以上前にはすでに台所へ届いていたことになります。新幹線の食堂車やデパートで使われていた業務用の機械が、家庭の道具へと縮んでいった流れでした。
電子レンジを一言でいえば、電波で水を回して熱に変える道具です。氷が苦手で、金属を入れると火花を散らし、扉の網で電波を閉じ込める。そうした個性も、すべて「水を回す」という一点から説明がつきます。
参考
- 日本機械学会誌「メカライフ 電子レンジ編」2003年6月号
- 科研費特定領域研究 成果報告「マイクロ波による物質の加熱機構：理論研究による解明」（田中基彦ほか、2012年）
- 日立の家電品「レンジ加熱中にテーブルプレートや食品から火花が出てしまいます。」
- 製品評価技術基盤機構（NITE）「製品安全セミナー 製品の安全な使い方」2012年
- 東芝ライフスタイル「電子レンジの歴史」
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