Логотип

Взаимодействие микроволновой энергии с веществом

Категория

Из мира электроники

материалы в категории

Микроволновками в наше время уже никого не удивишь... Полезная, согласитесь, штука- пришел с работы, поставил туда тарелку борща, и через 3-4 минуты он уже горячий...!
Мы знаем также что разогрев продукта в микроволновке происходит за счет воздействия микроволновой энергии (собственно, отсюда и название этой категории бытовой техники), а вот если кому-то вдруг стало интересно каким образом эта самая энергия воздействует на продукт, и предназначена эта самая статья.

Для того чтобы понять за счет чего происходит нагрев в микроволновой печи, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами вещества. Электромагнитное поле проявляет себя и как магнитное, и как электрическое, но, поскольку продукты, приготавливаемые в микроволновой печи, являются диэлектриками, воздействие магнитного поля на них пренебрежимо мало и его можно не учитывать.

Диэлектрические свойства материалов могут интересовать нас по двум причинам.

Во-первых, приготавливаемые продукты должны максимально поглощать СВЧ энергию, в противном случае возможно ее отражение обратно в магнетрон со всеми вытекающими последствиями.

Во-вторых, в камере микроволновой печи имеются диэлектрические детали конструкции (СВЧ-окна, поддоны и т.д.), которые не должны подвергаться нагреву под воздействием микроволновой энергии.

Диэлектриками принято называть вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля. Такое поле может длительно сохраняться лишь в средах, плохо проводящих электрический ток.

Электропроводность — способность проводить электрический ток — обусловлена наличием в веществе свободных носителей заряда — электрически заряженных частиц, которые под воздействием внешнего электрического поля направленно перемещаются сквозь толщу материала, создавая ток проводимости.

Параметром вещества, количественно определяющим его электропроводность, является удельное объемное сопротивление ρ, измеряемое в омах на метр (Ом*м).

Носителями заряда в диэлектриках могут быть ионы, электроны и молионы — заряженные коллоидные частицы. У реальных диэлектриков ρ = 107 — 1018 Ом*м, что практически означает отсутствие протекающего через них тока.

Параметром диэлектрического материала, определяющим его способность противостоять пробою, является электрическая прочность Епр — напряженность электрического поля в диэлектрике, при достижении которой происходит его пробой. Механизм пробоя диэлектриков может иметь различный характер. Основными видами пробоя твердых диэлектриков являются электрический и тепловой.

Электрический пробой представляет собой разрушение диэлектрика силами электрического поля и сопровождается образованием электронных лавин.

Тепловой пробой обусловлен нагревом диэлектрика до критической температуры вследствие диэлектрических потерь, при нарушении в диэлектрике теплового равновесия.

Электрическая прочность диэлектриков при тепловом пробое составляет 1 — 10 кВ/мм, при электрическом — примерно 100 — 1000 кВ/мм.

Помимо удельного объемного сопротивления, для краткости обычно называемого удельным сопротивлением, для твердых диэлектриков в качестве параметра вводят также удельное поверхностное сопротивление ρS. Очень часто пробой диэлектрика происходит именно по поверхности, особенно при работе в загрязненных или увлажненных средах.

Одним из важнейших параметров диэлектрических материалов является диэлектрическая проницаемость. Различают относительную диэлектрическую проницаемость εr (прежде ε) и абсолютную диэлектрическую проницаемость εrεоо — электрическая постоянная или, по старой терминологии, диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8.854*10-12 Ф/м).

По физическому смыслу диэлектрическая проницаемость — количественная мера интенсивности процесса поляризации. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. Основными видами поляризации являются электронная, ионная и дипольная.

Электронная поляризация — упругое смещение электронных орбит относительно ядер в атомах и молекулах под действием внешнего электрического поля.

В качестве примера можно рассмотреть поляризацию атома водорода, состоящего из положительно заряженного ядра и вращающегося вокруг него электрона. Если поле отсутствует, то центр, вокруг которого вращается электрон, совпадает с центром ядра и, соответственно, заряды полностью нейтрализуют друг друга. В присутствии электрического поля электрон смещается относительно ядра, как это показано на рис. 1, центр вращения электрона и центр ядра расходятся в пространстве и образуется диполь. Электронная поляризация происходит во всех диэлектриках независимо от присутствия в них других видов поляризации.

Рис. 1. Смещение электронной орбиты под воздействием электрического поля

Ионная поляризация — это упругое смещение противоположно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки. Присутствует в кристаллических веществах. Ионная и электронная поляризации происходят без потерь энергии.

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Полярные молекулы имеют несимметричное строение. Центры тяжести разноименных зарядов у них не совпадают, и поэтому в отсутствие внешнего электрического поля эти молекулы представляют собой диполи. Характерным представителем дипольных диэлектриков является вода, молекула которой показана на  рис. 2.

Рис. 2. Молекула воды

Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Связь между атомами осуществляется за счет того, что электрон каждого из атомов водорода образует пару с одним из атомов кислорода, которая является общей для обоих атомов. Поскольку размеры и свойства атомов водорода и кислорода различны, наличие такой пары приводит к смещению центров положительного и отрицательного зарядов относительно друг друга. Дипольный момент возникает из-за того, что оси между центрами атомов водорода и центром атома кислорода не совпадают. Угол между ними составляет примерно 105°. Этот, на первый взгляд, незначительный факт имеет далеко идущие последствия. Свойства воды как растворителя объясняются главным образом существованием у ее молекулы дипольного момента. Этот момент играет важную роль и в химических реакциях, происходящих в присутствии воды.  Трудно вообразить, на что был бы похож мир, если бы атомы в молекуле воды располагались по прямой линии, как в некоторых других веществах. Скорее всего, наблюдать это было бы некому.

Свойства диэлектриков, состоящих из полярных молекул, существенно отличаются от диэлектриков с другими видами поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей близка к 2, в то время как для воды она равна примерно 80. Сущность дипольной поляризации состоит в повороте диполей в направлении электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля молекулы полярного диэлектрика, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентированы произвольным образом (рис. 3 а) и какое-либо выделенное направление отсутствует.

Рис. 3 Дипольная поляризация диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля.

Ситуация изменится, если диэлектрик поместить в электрическое поле.

Электростатические силы будут стремиться развернуть диполи вдоль силовых линий. В результате дипольные молекулы частично ориентируются вдоль поля, причем степень их ориентации будет зависеть от напряженности приложенного поля.

В идеальном диэлектрике отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому его суммарный заряд всегда равен нулю. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле за счет ориентации диполей вдоль силовых линий на противоположных сторонах диэлектрика образуются нескомпенсированные  заряды, которые создают внутреннее поле, по направлению обратное приложенному (рис. 3 б).

В результате суммарное поле в диэлектрике оказывается меньше, чем поле в свободном пространстве, при прочих равных условиях.

Таким образом, диэлектрическую проницаемость можно рассматривать как меру, характеризующую степень снижения напряженности электрического поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Однако с точки зрения микроволновой техники более существенным является то, что скорость распространения электромагнитных волн в веществе пропорциональна √ε.

Для пояснения этого факта и вытекающих последствий рассмотрим картинку на рис. 4.

Рис. 4 Изменение характеристик поля в волноводе при заполнении его диэлектриком

Электромагнитная волна распространяется по волноводу со скоростью Vо и на некотором участке попадает в область, заполненную диэлектриком. В результате ее скорость уменьшается в √ε раз, что приводит к такому же сокращению длины волны. Волна в диэлектрике как бы сжимается в продольном направлении. При этом энергия электромагнитного поля, запасенная на участках, ограниченных длинами L1 и L2, одна и та же, поскольку размеры участков на рисунке выбраны таким образом, чтобы на них умещалась ровно одна длина волны. Из этого можно сделать следующий качественный вывод: чем выше диэлектрическая проницаемость вещества, тем больше плотность запасаемой в нем электромагнитной энергии.

Количественные оценки более сложны и зависят от типа волны, формы диэлектрика и т.д., но, поскольку при ремонте микроволновой печи эти знания вряд ли помогут, скорее наоборот, только окончательно запутают, мы в эти дебри углубляться не будем.

Может показаться, что возникает некоторое противоречие в полученных выводах: с одной стороны, из-за поляризации, амплитуда поля в диэлектрике уменьшается, а с другой — возрастает запасенная энергия. Но это противоречие кажущееся.

В подтверждение этих слов приведем пример из электростатики. Если между обкладками обычного конденсатора поместить диэлектрик, то его емкость, а соответственно и запасенная энергия возрастут. В то же время напряженность поля между обкладками уменьшится. Теоретически волновод можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из набора индуктивностей и емкостей, и поэтому приведенный пример с конденсатором не пустая абстракция, а вещественное доказательство.

Поляризация диэлектрика приводит к изменению напряженности электрического поля не только внутри него, но и снаружи. Рассмотрим, как это происходит. Предположим, между обкладками заряженного конденсатора помещен диэлектрический шар (рис.5а).

Рис. 5. Изменение электрического поля конденсатора при помещении между его обкладками шара из полярного диэлектрика

В результате поляризации, вблизи его полюсов образуются электрические заряды, компенсирующие попе внутри диэлектрика. Но эти же заряды создадут и внешнее электростатическое поле, как это показано на рис. 5б. Поэтому вне шара, как и внутри него, электрическое поле будет складываться из поля, которое существовало бы в отсутствие шара и поля образованного зарядами поляризованного диэлектрика. Результирующая картина поля показана на рис. 5в.

Внешне все выглядит так, как будто силовые линии поля втягиваются в диэлектрик. Иногда бывает удобно считать, что чем выше εr, тем сильнее происходит втягивание силовых линий внутрь диэлектрика. Но при этом полезно не забывать, что на самом деле этого, конечно, не происходит. Все это не более, чем своеобразный электромагнитный мираж.

Мы рассмотрели влияние диэлектрика на электростатическое поле конденсатора. То же самое происходит и в динамике, в СВЧ устройствах, с той лишь разницей, что амплитуда полей постоянно меняется. (В некоторых материалах, СВЧ все же вносит свою специфику. Это проявляется в наличии гистерезиса, явления при котором поле диполя отстает по фазе от внешнего поля.)

Еще одним важным параметром диэлектрических материалов являются диэлектрические потери. Они служат для определения электрической мощности, затрачиваемой на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

В справочной литературе для характеристики способности диэлектрика поглощать энергию переменного электрического поля используют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Столь замысловатый термин используется потому, что непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, и поэтому удобен при технических расчетах. Физический смысл tgδ состоит в следующем: в случае диэлектрика без потерь ток в емкостной цепи опережает напряжение на угол 90°. Наличие потерь приводит к сдвигу фазы между током и напряжением, и угол между ними становится меньше 90° на величину δ.

Количественно потери оказываются пропорциональны tgδ, отсюда и удобство использования этой величины.

Рассмотрим два основных вида диэлектрических потерь.

  1. Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих низкое удельное объемное сопротивление. К таким диэлектрикам, в частности, относится вода. Химически чистая вода считается хорошим диэлектриком, но в природе она чистой не бывает. (Для этого вовсе не обязательно, чтобы в ней мыли сапоги). Вода является прекрасным растворителем и поэтому всегда содержит массу примесей. Известно, что в морской воде содержится вся таблица элементов Менделеева, включая и те элементы, о существовании которых он только догадывался. Поэтому электропроводность воды определяется не столько молекулами самой воды, сколько содержащимися в ней примесями, которые могут диссоциировать на положительно и отрицательно заряженные ионы. Под воздействием переменного электрического поля ионы начинают двигаться в такт изменяющемуся полю, попутно расталкивая встречающиеся на пути молекулы воды и таким образом преобразуя электрическую энергию в тепловую. Причем концентрация примеси не обязательно должна быть высокой. Достаточно одного иона на тысячу молекул воды, чтобы вода перестала быть диэлектриком и перешла в разряд полупроводников. Вспомните пословицу о бочке меда и ложке дегтя: народная мудрость установила влияние примеси на вещество задолго до открытия его молекулярного строения.

В дополнение можно привести наглядный пример из жизни: если в метро в час пик у одного из пассажиров возникнет серьезный стимул периодически бегать из одного конца вагона в другой, то температура на данном отрезке маршрута дойдет до кипения за очень короткое время.

  1. Релаксационные потери обусловлены поворотом полярных молекул в направлении силовых линий электрического поля. Каждый поворот требует некоторых затрат энергии, особенно если при этом мешают соседи, которых приходится расталкивать и которые, в свою очередь, норовят отплатить тем же. Возвращаясь к предыдущему примеру, немного изменим начальные условия: высадим неугомонного бегуна, а на каждого из оставшихся пассажиров оденем по два рюкзака, для большего сходства с молекулой воды, и заставим вращаться вокруг своей оси. Нетрудно предположить, что и в этом случае результатом будет повышение температуры. Поскольку ориентация поля меняется на противоположную дважды за период, то чем выше частота, тем чаще происходит выяснение отношений между молекулами и тем больше энергии превращается в тепло. Это продолжается до тех пор, пока частота не превысит значения, при котором молекулы из-за своей инерции перестанут успевать полностью развернуться в течение одного полупериода. После этого наступает снижение потерь с ростом частоты, пока не вступят в силу другие механизмы возникновения потерь. Но эти области частотного спектра слишком далеки от интересующего нас диапазона, и поэтому мы их оставим без рассмотрения.

На рис. 6 приведена зависимость коэффициента поглощения α для воды во всем спектре электромагнитных частот.

Рис. 6. Поглощение электромагнитного поля водой в зависимости от частоты

Как видим, на частоте работы микроволновой печи поглощение энергии близко к максимальному, что обеспечивает хорошее преобразование электромагнитной энергии в тепловую.

Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:

ρ = Е2ωεrεоtgδ, где

Е — напряженность электрического поля,

ω — круговая частота.

Из приведенного выражения следует, что потери в веществе определяются произведением диэлектрической проницаемости ε на tgδ. Это произведение иногда называют коэффициентом диэлектрических потерь. Чтобы представлять степень нагрева того или иного вещества в электрическом поле, необходимо знать его ε и tgδ. Указанные параметры некоторых веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1

Диэлектрик ε tgδ
Вареный горох 9 0,5
Винипласт 4,0 0,02
Вода вблизи точки замерзания 87,8
Вода вблизи точки кипения 55,6
Вода при t=20°С 81 0,11
Гетинакс 7,5 0,015
Капрон 4,5 0,06—0,1
Картофель 38 0,3
Касторовое масло 4,0 0,02
Кварц плавленый 3.8 1*10-4
Льняное масло 3,3
Метиловый спирт 32,6
Мороженая говядина при t =-15°С 5,0 0,15
Мороженая свинина при t =-15°С 6,8 1,2
Нейлон 4,6 0,04
Пластмассы Э1 -340-02, Э2-330-02,
Э8-361-63, Э9-342-73, Э10-342-63,
Э11-342-63, Э15-121-02
7,5 — 9,5 0,08
Пластмассы ЭЗ-340-65, Э4-100-30,
Э5-101-30, Э6-014-30
6—8 0,01 —0,012
Плексиглас 2,61 8,4*10-3
Поджаренная говядина при t=24°С 28 0,2
Поджаренная свинина при t=35°С 23 2,4
Полистирол 2,55 0.5*10-3
Полиэтилен 2,26 0.4*10-3
Сапфир 11 0,26*10-4
Слюда 5,4 0.3*10-3
Стекло С5-1 3,8 1*10-4
Стекло С63-1 12 131*10-4
Текстолит 3,67 6.0*10-2
Трансформаторное масло 2,2 0,001
Фреон215 2,76 6,0
Фторопласт-4 (тефлон) 2,0 3,0*10-4
Эбонит 2,67 6,0*10-3
Электрофарфор 5—8 0,025
Эпоксидный компаунд Д1 4 0,02
Этиловый спирт 24,3

 Анализируя приведенные в таблице данные, легко определить материалы, которые можно использовать для изготовления вспомогательных деталей, находящихся внутри камеры. Например, фторопласт, полиэтилен, слюда — имеющие очень низкий коэффициент удельных потерь.

С другой стороны, несложно предсказать результат нагрева банки с трансформаторным маслом в микроволновой печи «Электроника», имеющей текстолитовую перегородку в верхней части камеры. Эта перегородка сгорит раньше, чем масло нагреется хотя бы на несколько градусов.

Г.С.  Сапунов.
Устройство и ремонт микроволновых печей.

Почта сайта