8.3. Поглощение эмп веществом. Диэлектрический нагрев

Многие вещества, подвергаемые тепловой обработке, (пищевые продукты, глина и т. п.) содержат в себе значительное количество воды или имеют схожий с водой механизм поляризации. Упругая дипольная поляризация, характерная для воды и других полярных жидкостей, позволяет использовать энергию ЭМП для нагрева веществ. Под действием ЭМП дипольные моменты стремятся ориентироваться по полю, при этом им необходимо преодолевать сопротивление трения вязкой среды. В результате энергия ЭМП с малыми потерями переходит в тепловую энергию вещества, что используется в технике диэлектрического нагрева. Исследование явления поглощения ЭМП веществом и диэлектрического нагрева начались еще в 30-х годах ХХ-го века [17].

Как известно, в молекуле воды положительный заряд сосредоточен около атомов водорода, а отрицательный – около атома кислорода, что позволяет представить молекулы воды в виде диполей (). Момент вращения системы изN усредненных диполей в однородном поле определяется формулой:

. (8.10)

Для перехода диполя из состояния неупорядоченного теплового возбуждения в упорядоченное состояние и обратно требуется некоторое время, которое называется временем релаксации (абсорбции) (_р). Процесс релаксации описывается экспоненциальной зависимостью: exp(-(t/_р)).

Величина _р=1/_р определяет собственную частоту релаксации.

Если период колебаний переменного ЭМП будет меньше времени релаксации, то получить упорядоченное состояние диполей невозможно [17].

Предположив наличие процесса абсорбции, П. Дебай впервые получил теоретическую частотную зависимость действительной () и мнимой () составляющих комплексной диэлектрической проницаемости (см. (3.18), (3.20))[17]:

; (8.11)

. (8.12)

Зависимости (8.11) и (8.12) приведены на рис. 8.1 в логарифмическом масштабе по  (_н=(0), _=(). Как видно из графиков, на частоте =_р имеет место максимум диэлектрических потерь () и резкое изменение .

Одна из моделей диэлектрика с потерями, используемая при анализе однородных по составу веществ, - вращающаяся под действием ЭМП сфера в вязкой среде. В этом случае время релаксации прямо пропорционально вязкости данной среды и обратно пропорционально абсолютной температуре [17].

Более точной и существенно более сложной моделью является замена сферы эллипсоидом вращения, имеющего вместо одного дипольного момента три независимых для каждой оси эллипсоида.

Выделяя мощность потерь проводимости из (5.8) с учетом (3.18) и (3.20), получим мощность тепловых потерь в объеме вещества при однородном :

. (8.13)

Из (8.13) следует, что энергия ЭМП, превращающаяся в тепло, увеличивается пропорционально частоте и квадрату напряженности электрического поля.

Увеличение напряженности ограничено электрической прочностью диэлектрика. При превышении некоторой напряженности Е_проб , называемой напряженностью пробоя, наступает электрический пробой диэлектрика, приводящий к его разрушению. Например, для сухого чистого воздуха Е_проб =3МВ/м.

Таким образом, энергию преобразования можно повышать с помощью увеличения частоты. В этом и заключается основной смысл использования в диэлектрическом нагреве ЭМВ диапазонов УВЧ и СВЧ. Отсюда и появились названия СВЧ-нагрев и микроволновый нагрев.

Скорость нагрева вещества определяется по формуле [17]:

, (8.14)

где с_уд – удельная теплоемкость (Дж/кг/С), m – масса (кг).

Мощность, требуемая на нагрев m (кг) вещества на Т (С), равна

. (8.15)

Формулы (8.14) и (8.15) носят приближенный характер, поскольку используют упрощенную модель диэлектрика, не учитывают отражение и затухание ЭМВ (считается, что вся энергия проникла в вещество, и ЭМП равномерно распределено во всем объеме вещества).

На практике из-за невозможности построения оптимальных моделей сложных веществ часто оказывается удобнее экспериментально измерить частотную зависимость параметров диэлектрика ( и ).

Повышение частоты имеет ограничение, связанное с поверхностным эффектом. С увеличением частоты размер скин-слоя уменьшается, поэтому, если минимальный размер объекта превышает 2, то ЭМП во внутренние слои вещества не проникает. Данная особенность заставляет в каждой конкретной задаче искать компромисс при выборе рабочей частоты.

Явление поглощения ЭМВ веществом широко применяется в электротермии.

Микроволновый нагрев, кроме электротермии, находит применение и в других областях: обеззараживание воды и молока, дробление горных пород, геологические разработки в районах вечной мерзлоты.

Особенности практического применения диэлектрического нагрева будут рассмотрены в курсе электродинамики, из специализированной литературы можно рекомендовать [17].