Dielektrisk opvarmning er en metode til opvarmning af dielektriske materialer med et højfrekvent vekslende elektrisk felt (HFC - højfrekvente strømme; område 0,3-300 MHz) eller en elektromagnetisk bølge (MW - ultrahøje frekvenser; område 0,4 - 10 GHz). Højfrekvent opvarmning af dielektrikum udføres i kondensatorer og mikrobølgeopvarmning - i bølgeledere og hulrumsresonatorer.
Opvarmning er forårsaget af dipolariseringstab af dielektriske stoffer .
Et karakteristisk træk ved dielektrisk opvarmning er den volumetriske varmeafgivelse (ikke nødvendigvis homogen) i det opvarmede medium. I tilfælde af HDTV-opvarmning er varmeafgivelsen mere ensartet på grund af den store dybde af energigennemtrængning i dielektrikumet; mikrobølgeopvarmning er kendetegnet ved en lille indtrængningsdybde og overfladeopvarmning, såvel som inhomogenitet af opvarmning i rummet af stående bølger; homogenitet opnås på grund af materialets varmeledningsevne.
Sammenlignet med induktionsopvarmning , der bruges til at opvarme elektrisk ledende materialer med vekselstrøm med en frekvens på ikke mere end 30 MHz, udføres dielektrisk opvarmning normalt ved hjælp af højere frekvenser.
Et dielektrisk materiale (træ, plastik, keramik) er placeret mellem pladerne på en kondensator [1] , som forsynes med en højfrekvent spænding fra en elektronisk generator på radiorør. Et vekslende elektrisk felt mellem kondensatorens plader forårsager polariseringen af dielektrikumet og fremkomsten af en forspændingsstrøm , som opvarmer materialet.
Fordele ved metoden: høj opvarmningshastighed; ren berøringsfri metode, der tillader opvarmning i vakuum, beskyttelsesgas osv.; ensartet opvarmning af materialer med lav varmeledningsevne; implementering af lokal og selektiv opvarmning mv.
Metodens anvendelsesområder: tørring af materialer (træ, papir, keramik osv.); opvarmning af plast før presning; svejsning af plast; tørring af selvklæbende sømme; opvarmning af jorden før jordflytning; trælimning mv.
Mikrobølgeopvarmning bruger elektromagnetiske bølger med frekvenser over 100 MHz. Moderne mikrobølgeovne bruger typisk 2,45 GHz, selvom der er enheder, der fungerer ved 915 MHz.
Ved brug af elektromagnetiske mikrobølger forårsages opvarmning af molekylær dipolrotation i dielektrikumet – et typisk dipolmolekyle er et vandmolekyle. I dette tilfælde bruges enheder baseret på magnetroner som en generator .
Tvungede vibrationer af polære molekyler under påvirkning af et eksternt elektrisk felt fører til intermolekylær friktion, som følge heraf frigives varme gennem hele volumen af dielektrikumet. I ikke-ideelle dielektriske materialer (delvis ledende elektrisk strøm) sker der yderligere opvarmning på grund af ledning. I dielektrikum, hvor processen med polarisering af molekyler er ubetydelig, og den elektriske ledningsevne er ekstremt lille, vil der ikke være nogen opvarmning af et elektromagnetisk felt; sådanne materialer: glas, papir, porcelæn, fajance, mange polymere materialer, luft osv. [2] .
Metoden er mest brugt til optøning og opvarmning ved madlavning. Da vand i fødevarer indeholder en stor mængde forskellige salte, der dissocierer til ioner, der tjener som bærere af elektriske ladninger og også reagerer på et vekslende elektromagnetisk felt, skyldes opvarmningen af produkter både reorienteringen af polære dipolmolekyler og forskydningen af ioner.
For første gang blev virkningen af at opvarme et dielektrikum i et vekslende elektromagnetisk felt bemærket af E. V. Siemens i 1864, derefter i 1886 studerede I. I. Borgman opvarmningen af glasvæggen i en Leyden-krukke under opladning og afladning. Effekten har fundet anvendelse i medicin. I 1891 foreslog Nikola Tesla at bruge den termiske effekt af et elektromagnetisk felt til medicinens behov, og d'Arsonval , efter at have opdaget, at et vekslende elektromagnetisk felt med en frekvens over 10 kHz ikke irriterer væv, men har forskellige fysiologiske effekter, bl.a. termiske effekter, foreslog han tre praktiske behandlingsmetoder: ved hjælp af elektroder, kapacitive plader og induktorer .
I 1899 bestemte den østrigske kemiker R. von Zaynek hastigheden af varmeafgivelsen i væv afhængigt af strømmens frekvens og styrke og foreslog brugen af elektromagnetiske felter med en frekvens på over 200 kHz til dyb opvarmning af kropsvæv og behandling. Siden 1906 begyndte metoden at sprede sig hurtigt, og i 1908 kaldte den tyske læge Karl Franz Nagelschmidt det diatermi og skrev i 1913 den første lærebog om dette område af terapi .
Indtil 1920'erne blev langbølgede diatermiapparater med Tesla-spoler med gnistudladning, der fungerede ved frekvenser på 0,1-2 MHz, brugt til terapeutiske formål. I 1925 bemærkede A. Esau ( eng. Abraham Esau ), at senderen med høj effekt i målerområdet forårsagede en følelse af opvarmning i personalet, og foreslog at bruge mikrobølgebølger til terapi; sammen med E. Shliphake udførte han forsøg på dyr og mennesker, og I. Petzold undersøgte frekvensens effekt på opvarmningsdybden. Resultatet var "kortbølgediatermi" ved brug af frekvenser i intervallet 10-300 MHz.
På trods af kompleksiteten og høje omkostninger ved udstyr har dielektrisk opvarmning fundet bred anvendelse i industrien, da den tillader opvarmning af ikke-ledende homogene materialer med høj hastighed og ensartethed og inhomogene materialer selektivt, for eksempel under tørring eller limning.
I 1930-1934 udviklede N. S. Selyugin i Leningrad-afdelingen af Central Research Institute of Mechanical Wood Processing en teknologi til tørring af træ med højfrekvente strømme ( Selyugin N. S. Drying wood . - Leningrad: Goslestekhizdat, 1936. - 560 s.; Tørring og opvarmning af træ i højfrekvent felt / N. S. Selyugin, S. N. Abramenko, V. A. Zhilinskaya, G. A. Sofronov; Under den generelle redaktion af Prof. D. F. Shapiro; People's Commissariat of Forests of the USSR, All-Union State Trust "Sevzaples research". Central videnskabelig forskning. laboratorium for mekanisk bearbejdning af træ - Leningrad: Goslestekhizdat, 1938. - 127 s.). Samtidig modtog A. I. Ioffe et copyright-certifikat for højfrekvent tørring af træ . For første gang i industriel skala blev metoden anvendt til tørring af birke- og bøgeemner på Skorokhod- skofabrikken i Leningrad.
I 1930'erne blev tørring og sterilisering af frugter ved hjælp af elektromagnetiske bølger undersøgt, og P.P. Tarutin ved VNIIZerna studerede tørring og ødelæggelse af kornskadedyr ved hjælp af højfrekvente strømme ( Brug af ultrakorte bølger til skadedyrsbekæmpelse og termiske effekter på hvede. - Gostorgizdat , 1937 - 190 s.).
I 1940'erne blev der i USA udviklet metoder til højfrekvent opvarmning af plast, limning af træ og krydsfiner. I Frankrig var A. Ezau involveret i udviklingen af metoder til højfrekvent tørring af tekstiler og fødevarer, limning af træ og opvarmning af plast inden presning; RF-opvarmning af keramik blev udviklet af M. Descarsin (1946); vulkanisering af gummi - LeDuc og Dufour.
Mikrobølgeopvarmning kom i brug efter opfindelsen af magnetronen i 1940'erne. I 1947, i USA, blev den første Radarrange-mikrobølgeovn installeret i en spisevogn, som brugte opvarmning med elektromagnetiske bølger med en frekvens på 2400 MHz. Arbejdet med industriel anvendelse af opvarmning ved mikrobølgefrekvenser begyndte i begyndelsen af 1960'erne: metoder til at bryde sten blev udviklet i USA og Japan; i USA og Tyskland blev der udført forsøg for at få en plasmabrænder.
I slutningen af 1980'erne skabte det østrigske firma Linn en højtemperatur (op til 2000 °C) mikrobølgeenhed til oxidsintring.