え、違うの……!?　「電子レンジ」は“摩擦熱で温める”という誤解がひどいらしいので、ちゃんと調べてみた

　このあいだ、趣味のJ-STAGE巡りをしていたとき、このような嘆きの声を見つけました。

電子レンジの加熱原理を説明する際に、振動する水の分子同士の摩擦熱を考える場合があるが、真実に反している上、熱の分子運動論や摩擦現象のミクロなイメージの涵養を妨げる。いくらかの調査の結果、摩擦熱の説明はかなり流布していて、生徒もテレビなどを通じて聞き、更に学校教育までも荷担していることが判明した。
（中村聡「電子レンジの加熱原理に関する誤解」物理教育 54巻 2号 書誌（2006）より引用）

　試しに「電子レンジ　温める仕組み」でググってみると、確かにそんな説明がズラッと並びました。Google検索結果のAIによる概要も同じでした。

　では、実際どんな仕組みなんだろうと気になったので、調べてみました。

電子レンジの定義

　電子レンジは物を熱する時に「マイクロ波」という電磁波を利用しています。電波法施行規則 第46条の7 第1項によれば、2450メガヘルツ（正確には占有周波数帯幅に含まれる周波数が2400～2500メガヘルツ）の電磁波で食品を加熱する加熱機器が電子レンジとして定義されます。

ヘルツ： 1秒間に電波が何回振動しているかを表す単位。表記はHz。2450メガヘルツは秒間24.5億回、電波が振動するという意味。

　電子レンジは、この周波数帯の電磁波（マイクロ波）を使った「誘電加熱」という方法で食品を加熱します。

　電気を使った加熱法には、誘導加熱や誘電加熱、赤外線加熱など、さまざまな種類があります。このうち誘電加熱は、マイクロ波で食品中の分子（水分子）を動かして、食品を内側から温める方法です。

極性分子と無極性分子

　それでは、水分子はいったいどのように動くのでしょうか。

　その前に、事前知識として、極性分子と無極性分子についてまとめておきます。

　学生時代の理科や化学で、原子は陽子と電子を持っていると習ったのを覚えているでしょうか。陽子はプラスの電荷を、電子はマイナスの電荷を帯びています。電荷は磁石のS極とN極のようなものだと思ってください。

　たとえば、水素原子（H）は、陽子と電子を1個ずつ持っています。これが塩素原子（Cl）とくっつくと、塩素原子の電子を引っ張る力のせいで、水素原子の電子は、塩素原子の電子の足りない箇所に吸い寄せられて、2つの原子は結合します。分子中では、原子が互いの電子を引っ張り合い、引っ張る力の強いほうに電子が吸い寄せられます。

　もう少し詳しく書くと、まず原子は原子核を中心に電子殻という層を持っています。これは電子が動く軌道のようなもので、下の図のような構造をしています。このうち、いちばん外側の電子殻を最外殻と呼び、この最外殻に存在する電子を最外殻電子と言います。

　原子は安定した状態を保つために、この最外殻電子の空いた箇所を埋めようとします。具体的には、電子は2つずつで対になっており、1つだけで孤立している電子がある場合、原子はもう1つ電子を手に入れて、安定した状態になろうとします。

　上の図だと、塩素原子は最外殻電子を7つ持ちますが、これは2つの電子のペアが3つと、孤立した電子が1つあるため、不安定な状態です。そのため、最外殻電子が1つの水素原子と7つの塩素原子がくっつくと、お互いの空いた箇所がちょうど埋められて安定します。

　このとき、1つの電子のペアを水素原子と塩素原子が共有することになります。これを共有電子対といいます。

　このとき電子は、電子を引っ張る力が強い原子に引き寄せられます。この引っ張る力を電気陰性度といいます。水素原子と塩素原子では、塩素原子のほうが電気陰性度が大きいので、この共有電子対は塩素原子のほうに引き寄せられます。

　これによって、水素原子はマイナスの電荷を持つ電子を失い、陽子の持つプラスの電荷を帯びます（H+）。この電荷の偏りを「極性」といいます。

　この現象を水分子で考えてみましょう。

　水分子は、水素原子2つと酸素原子1つ（陽子と電子を8個ずつ持つ）がくっついた分子です。電子を引っ張る力＝電気陰性度は酸素原子のほうが大きいので、水分子の中では、水素原子はプラスの電荷を帯び、酸素原子はマイナスの電荷を帯びます。

なお、原子の安定においては、電子が2つずつ対になっている性質より、最外殻が閉殻（電子の空席がない状態）のほうが重要です。たとえば、電子の空席が対角線上にあれば、空席はあるものの多少は安定しますが、最外殻が閉殻であることで、より安定します。

　このとき、水分子は極性分子というものになります。

　分子は結合の仕方によって極性分子と無極性分子に分かれます。次の画像をご覧ください。

　水分子を作るとき、水素原子は上図のように、酸素原子に斜めに結合します。このとき、正の電荷と負の電荷、それぞれの原子の電荷の重心を考えます。電荷の重心は、それぞれの原子の重心位置と一致します。つまり、負の電荷の重心は酸素原子の中心、正の電荷の重心は水素原子同士を結んだ直線上の中心となります。

　これを踏まえて下の図を見ると、電荷の重心位置（左の群青丸と水色丸）がずれて、プラスマイナスが打ち消し合わず、分子中にプラスとマイナスの部分が生まれるのが分かると思います。

　こんな感じで、水素原子側がプラス、酸素原子側がマイナスになります。

　一方、無極性分子とは、電荷の重心がずれない＝プラスとマイナスが打ち消し合う形で結合する分子です。二酸化炭素（CO2）の分子構造を見てみましょう。

　CO2は上の図のように、炭素原子と酸素原子が一直線上に結合します。そのため、電荷の重心が一致するため、水分子のような電荷の偏り（極性）が存在しません。

電磁波を当てたときの水分子の動き

　それでは、この水分子に電磁波（マイクロ波）を当てると、どうなるのでしょうか？

　その前に、そもそも電磁波とは何かを見ておきましょう。電磁波とは、名前の通り「電場」と「磁場」を発生させる電波で、次の図のような構造をしています。なお、電場は「電界」、磁場は「磁界」とも呼びます（本記事中では電場、磁場と表現します）。

　撒いた砂鉄の中に棒磁石を置いた時、S極からN極へ弧を描く磁力線が現れますよね。あれが磁場です。電場はあの電気版だと思ってください。磁場でS極とN極にあたるものが、電場ではプラスとマイナス、磁力線の方向にあたるのが図中の電場の方向です。

誘電分極とは

　食品中の水分子は、一様に同じほうを向いているわけではありません。すべてバラバラの方向を向いています。ですが、食品に電磁波を当てて水分子が電場の中に置かれると、場の電流の流れとは逆を向こうとします。次の図のようなイメージです。

　左が電場のない状態の食品中の水分子、右が電磁波を当てられて電場の中に置かれた食品中の水分子です。水分子は、電場の矢印方向に自身のプラス側を、電場の矢印の反対側に自身のマイナス側を向けるように回転します。これによって、食品全体が一定の極性を持ちます。この一定の極性を「誘電分極」といいます。

　この変化は電場をかけるのと同時に発生するのではなく、少し遅れて起こります。よって、間を置かずに次々と違う電場を食品にかけると、水分子たち（正確には誘電分極）はやがて、電場の変化についていけなくなる＝向きを変え切れなくなります。

　電場の変化についていこうと向きを変えはじめたものの、すぐに次の電場がやってきて違う動きを要求され、それまでの動きにブレーキがかかる、そんなイメージですね。このブレーキがかかる時に、方向を変えるために使われていたエネルギーが散逸して別のエネルギーになります。これが熱の正体です。この熱を利用して食品を温めるのが電子レンジです。

ちなみに、電子レンジにマイクロ波が使われるのは、加熱に適したタイミングで電場が変化する波長を持っているからです。

　なお、熱となるのは、なにも分子の向き変えによって発散されるエネルギーだけではありません。どのような方法でも原子・分子の乱雑な運動が起きれば、その運動のエネルギーそれ自体が熱となります。

　ただ、よく目にする「分子が振動して摩擦熱が起こる」といった類いの振動は起こりません。上に書いた“乱雑な運動”の中には振動も含まれますが、これは分子の振動ではなく、分子中の原子の振動です。たとえば、先の二酸化炭素の結合イラストを例とすると、この結合が直線の状態からズレるパタパタ羽ばたくような運動や、分子の長さが伸び縮みする運動などです。

　分子自体が振動するためには、分子が周りから固定される力がないと実現できないため、固体における熱運動でないと実現できません。

　というわけで、電子レンジは「マイクロ波で水分子を振動させ、分子同士がぶつかり合って発生した摩擦熱でものを温める」のではないことがわかりました。いつも何気なく使っている電子レンジの裏にこんな仕組みがあったとは驚きです。未知の世界を知るのは楽しいですね。

ご協力者

　本記事の執筆に際して、佐賀大学文化教育学部環境基礎講座・中村聡先生に多大なご支援を頂きました。この場を借りて御礼申し上げます。ありがとうございました。

　なお、中村先生からは量子論的な視点から見た場合の電子レンジの話など、非常に興味深いお話も頂いたのですが、中の人の理解が追いつかず、また別の機会でお伝えできればと思います。

参照

• 電波法施行規則 抄 第46条の7 第1項 第1号
• 中村聡「電子レンジの加熱原理に関する誤解」物理教育 54巻 2号 書誌（2006）
• 中沢文子「電子レンジによる食品加熱の話(その1)」調理科学 20巻 1号（1987）
• 山本ビニター株式会社「高周波誘電加熱とマイクロ波加熱」
• 酒井昇「食品加熱操作における熱・水分移動・反応の工学的研究」日本食品工学会誌 19巻 2号（2018）