Радиотолқындармен жылыту

Кіріспе

Диэлектрлік қыздыру, сонымен қатар электрондық қыздыру, радиожиілікпен қыздыру және жоғары жиілікпен қыздыру деп аталады, – бұл радиожиілік (RF) күшін өзгертетін электр өрісі немесе радио толқыны немесе микротолқындық электромагниттік сәулелену арқылы диэлектрлік материалды қыздыру процесі. Жоғары жиіліктерде бұл қыздыру диэлектриктегі молекулалық дипольдің айналуынан туындайды.

Механизм

Молекулалық айналу электрлік дипольдық моменті бар полярлық молекулаларды қамтитын материалдарда пайда болады, нәтижесінде олар электромагниттік өрісте өздерін бағдарлайды. Егер өріс тербелістеп тұрса, электромагниттік толқын немесе жылдам тербелістейтін электр өрісі сияқты, бұл молекулалар үнемі айналып, онымен сәйкестендіріледі. Бұл дипольдік айналыс немесе диполярлық поляризация деп аталады. Өріс ауысқанда молекулалар бағытын өзгертеді. Айналатын молекулалар басқа молекулаларды итеріп, тартып, соқтығысады (электрлік күштер арқылы), энергияны материалдағы көршілес молекулалар мен атомдарға бөледі. Энергияны көзден үлгіге беру процесі сәулеленумен қыздырудың бір түрі болып табылады. Температура материалдағы атомдар мен молекулалардың орташа кинетикалық энергиясына (қозғалыс энергиясына) байланысты, сондықтан молекулаларды осылайша қоздыру материалдың температурасын арттырады. Дипольдің айналуы – электромагниттік сәулелену түріндегі энергияның заттың температурасын көтеру механизмі. Бұл түрлендірудің тағы да көптеген механизмдері бар. Дипольдік айналыс – бұл әдетте диэлектрлік қыздыру деп аталатын механизм, және микротолқынды пеште кеңінен байқалады, онда ол сұйық суда, сондай-ақ майлар мен қанттарда тиімді жұмыс істейді. Себебі майлар мен қант молекулалары су молекулаларына қарағанда полярлық емес, сондықтан ауыспалы электромагниттік өрістердің әсеріне аз сезімтал. Пісіруден басқа, бұл әсер тұтас, сұйық немесе газдарды қыздыру үшін пайдаланылуы мүмкін, егер оларда кейбір электр дипольдары болса. Диэлектрлік қыздыру – электрлік оқшаулағыш материалдарды диэлектрлік шығындар арқылы қыздыру. Материал арқылы өтетін электр өрісінің өзгеруі молекулалар үздіксіз өзгеріп отыратын электр өрісіне сәйкес келуге тырысқанда энергияның таралуына себеп болады. Бұл өзгермелі электр өрісі бос кеңістікте таралатын электромагниттік толқыннан (микротолқынды пештегідей) немесе конденсатордың ішіндегі тез ауыспалы электр өрісінен туындауы мүмкін. Соңғы жағдайда еркін таралатын электромагниттік толқын болмайды, ал электр өрісінің өзгеруі жақын өрістегі антеннаның электр компонентіне ұқсас болып көрінуі мүмкін. Бұл жағдайда, жылу радиожиілік (RF) жиіліктердегі сыйымдылық қуысының ішіндегі электр өрісін өзгерту арқылы жүзеге асырылса да, нақты радио толқындар пайда болмайды немесе сіңірілмейді. Осы мағынада, бұл әсер магниттік индукциялық қыздырудың тікелей электрлік аналогы болып табылады, ол да жақын өріс әсері (осылайша радио толқындарды қамтымайды). Диэлектрлік қыздыруды тудыратын 10–100 МГц жиіліктер қажет, бірақ жоғары жиіліктер бірдей жақсы немесе жақсы жұмыс істейді, ал кейбір материалдарда (әсіресе сұйықтықтарда) төменгі жиіліктер де елеулі қыздыру әсеріне ие, көбінесе ерекше механизмдерге байланысты. Мысалы, тұзды су сияқты өткізгіш сұйықтықтарда иондардың тартылысы қыздыруға әкеледі, себебі зарядталған иондар электр өрісінің әсерінен сұйықтық ішінде баяу әрі қарай "тартылады", бұл процесте сұйықтық молекулаларына соққы береді және оларға кинетикалық энергия береді, ол ақыр соңында молекулалық тербелістерге және осылайша жылу энергиясына аударылады. Төмен жиіліктердегі диэлектрлік қыздыру, жақын өріс эффектісі ретінде, электромагниттік радиатордан сіңіргішке дейінгі қашықтық ≈ толқын ұзындығынан кем болуын талап етеді. Бұл контактілік процесс немесе жақын контактілік процесс, өйткені ол әдетте қыздырылатын материалды (әдетте металл емес) металл пластиналар арасында диэлектриктің орнына қойып, өте үлкен конденсатор құрайды. Алайда, конденсатордың ішінде диэлектрикті қыздыру үшін нақты электрлік байланыс қажет емес, өйткені конденсатордың ішінде пайда болатын электр өрістері конденсатор пластиналарының пластиналар арасындағы (өткізбейтін) диэлектрлік материалмен электрлік байланысын қажет етпейді. Төменгі жиіліктегі электр өрістері өткізбейтін материалдарға микротолқындардан гөрі тереңірек еніп, су мен организмдерді ағаш сияқты құрғақ материалдардың ішінде қыздырады, сондықтан оларды конденсатор пластиналарының арасына сыю арқылы көптеген электр өткізбейтін азық-түлік және ауыл шаруашылығы өнімдерін тез қыздыруға және дайындауға болады. Өте жоғары жиіліктерде электромагниттік өрістің толқын ұзындығы жылу қуысының металл қабырғалары арасындағы қашықтықтан немесе қабырғалардың өлшемдерінен қысқа болады. Бұл микротолқынды пештің ішіндегі жағдай. Мұндай жағдайларда, дәстүрлі жақын өріс электромагниттік толқындары пайда болады (қуыс енді таза конденсатор ретінде емес, антенна ретінде әрекет етеді), және олар сіңіріліп қыздыруға себеп болады, бірақ жылудың таралу механизмі дипольдік айналыс болып қалады. Алайда, микротолқындар төмен жиілікті өрістердің иондардың тартылуы сияқты баяу молекулалық қозғалысқа байланысты қыздыру әсерін тудыруда тиімді емес.

Molecular rotation occurs in materials containing polar molecules having an electrical dipole moment, with the consequence that they will align themselves in an electromagnetic field. If the field is oscillating, as it is in an electromagnetic wave or in a rapidly oscillating electric field, these molecules rotate continuously by aligning with it. This is called dipole rotation, or dipolar polarisation. As the field alternates, the molecules reverse direction. Rotating molecules push, pull, and collide with other molecules (through electrical forces), distributing the energy to adjacent molecules and atoms in the material. The process of energy transfer from the source to the sample is a form of radiative heating. Temperature is related to the average kinetic energy (energy of motion) of the atoms or molecules in a material, so agitating the molecules in this way increases the temperature of the material. Thus, dipole rotation is a mechanism by which energy in the form of electromagnetic radiation can raise the temperature of an object. There are also many other mechanisms by which this conversion occurs. Dipole rotation is the mechanism normally referred to as dielectric heating, and is most widely observable in the microwave oven where it operates most effectively on liquid water, and also, but much less so, on fats and sugars. This is because fats and sugar molecules are far less polar than water molecules, and thus less affected by the forces generated by the alternating electromagnetic fields. Outside of cooking, the effect can be used generally to heat solids, liquids, or gases, provided they contain some electric dipoles. Dielectric heating involves the heating of electrically insulating materials by dielectric loss. A changing electric field across the material causes energy to be dissipated as the molecules attempt to line up with the continuously changing electric field. This changing electric field may be caused by an electromagnetic wave propagating in free space (as in a microwave oven), or it may be caused by a rapidly alternating electric field inside a capacitor. In the latter case, there is no freely propagating electromagnetic wave, and the changing electric field may be seen as analogous to the electric component of an antenna near field. In this case, although the heating is accomplished by changing the electric field inside the capacitive cavity at radio frequency (RF) frequencies, no actual radio waves are generated or absorbed. In this sense, the effect is the direct electrical analog of magnetic induction heating, which is also near field effect (thus not involving radio waves). Frequencies in the range of 10–100 MHz are necessary to cause dielectric heating, although higher frequencies work equally well or better, and in some materials (especially liquids) lower frequencies also have significant heating effects, often due to more unusual mechanisms. For example, in conductive liquids such as salt water, ion drag causes heating, as charged ions are "dragged" more slowly back and forth in the liquid under influence of the electric field, striking liquid molecules in the process and transferring kinetic energy to them, which is eventually translated into molecular vibrations and thus into thermal energy. Dielectric heating at low frequencies, as a near field effect, requires a distance from electromagnetic radiator to absorber of less than ≈ of a wavelength. It is thus a contact process or near contact process, since it usually sandwiches the material to be heated (usually a non metal) between metal plates taking the place of the dielectric in what is effectively a very large capacitor. However, actual electrical contact is not necessary for heating a dielectric inside a capacitor, as the electric fields that form inside a capacitor subjected to a voltage do not require electrical contact of the capacitor plates with the (non conducting) dielectric material between the plates. Because lower frequency electrical fields penetrate non conductive materials far more deeply than do microwaves, heating pockets of water and organisms deep inside dry materials like wood, it can be used to rapidly heat and prepare many non electrically conducting food and agricultural items, so long as they fit between the capacitor plates. At very high frequencies, the wavelength of the electromagnetic field becomes shorter than the distance between the metal walls of the heating cavity, or than the dimensions of the walls themselves. This is the case inside a microwave oven. In such cases, conventional far field electromagnetic waves form (the cavity no longer acts as a pure capacitor, but rather as an antenna), and are absorbed to cause heating, but the dipole rotation mechanism of heat deposition remains the same. However, microwaves are not efficient at causing the heating effects of low frequency fields that depend on slower molecular motion, such as those caused by ion drag.

Қуат

Диэлектрлік қыздыруды өткізгіш ортаның джоульдік қызуынан ажырату қажет, ол ортадағы индукцияланған электр токтерінен туындайды. Диэлектрлік қыздыру үшін көлемге шаққандағы қуат тығыздығы былай беріледі:

мұнда ω – қоздырғыш сәулелендірудің бұрыштық жиілігі, εr″ – сіңіретін материалдың кешенді жақын рұқсаттылығының жорамал бөлігі, ε0 – бос кеңістіктің рұқсаттылығы және E – электр өрісінің күші. (Жиілікке тәуелді) жақын рұқсаттылығының жорамал бөлігі – диэлектрлік материалдың электромагниттік өріс энергиясын жылуға айналдыру қабілеті, сондай-ақ диэлектрлік жоғалту деп аталады. (Рұқсаттылықтың нақты бөлігі сыйымдылықтың қалыпты әсері болып табылады және энергияны жоғалтпайтын реактивті қуатқа әкеледі.) Егер материалдың өткізгіштігі σ кішкентай болса немесе жиілігі жоғары болса, яғни σ ≪ ωε (шамасы), онда джоульдік қызу төмен болады және диэлектрлік қызу электромагниттік өрістен ортаға энергияның жоғалтуының басым механизмі болып табылады.

Енгізу

Микротолқынды жиіліктер өткізгіш материалдарға, соның ішінде ет және тірі тіндер сияқты жартылай қатты заттарға еніп өтеді. Ену, негізінен, барлық енген микротолқынды энергия тіндерде жылуға айналғанда тоқтатылады. Тамақ қыздыруға арналған микротолқынды пештер судың ең жақсы сіңіру жиілігіне реттелмейді. Егер реттелсе, онда тағам немесе сұйықтықтың сыртқы қабаты барлық микротолқынды сәулеленуді сіңіріп алып, ортасы салқын, қыздырылмаған болып, беті тым қызып кетер еді. Оның орнына, таңдалған жиілік энергияның қыздырылатын тағамға тереңірек енуіне мүмкіндік береді. Үй шаруашылығына арналған микротолқынды пештің жиілігі 2,45 ГГц, ал судың ең жақсы сіңіруі үшін жиілік шамамен 10 ГГц құрайды.

Радиожиілікпен жылыту

Диэлектрлік материалдарды қыздыру үшін жоғары жиілікті электр өрістерін пайдалану 1930 жылдары ұсынылды. Мысалы, (Bell Telephone Laboratories компаниясының өтініші, 1937 ж.) мынадай мәлімдеме жасайды: "Бұл өнертабыс диэлектрлік материалдарды қыздыру жүйелеріне қатысты және өнертабыстың мақсаты осындай материалдарды бір мезгілде біркелкі және олардың массасы бойынша толыққанды жылыту. Сондықтан, мұндай материалдарды жоғары кернеулі, жоғары жиілікті өріске түсірген кезде оларда туындайтын диэлектрлік шығындар арқылы олардың массасы бойынша бір мезгілде қыздыру ұсынылған." Бұл патент 10-ден 20 мегагерцке дейінгі (толқын ұзындығы 15-тен 30 метрге дейін) радиожиілікті (RF) қыздыруды ұсынды. Мұндай толқын ұзындығы қолданылған қуыстан әлдеқайда ұзын болғандықтан, электромагниттік толқындар емес, жақын өріс әсерлері пайдаланылды. (Коммерциялық микротолқынды пештер мұндай толқын ұзындығынан тек 1% ғана пайдаланады.) Ауыл шаруашылығында RF диэлектрлік қыздыру кеңінен сынақтан өтті және жиналған соң кейбір азық дақылдарындағы (мысалы, қабығындағы жаңғақтар) зиянкестерді жою құралы ретінде жиі қолданылады. RF қыздыру тағамды микротолқынды қыздыруға қарағанда біркелкі қыздыра алатындықтан, тағамды жылдам өңдеудің перспективалы тәсілі болып табылады. Медицинада дене тіндерін RF қыздыруды диатермия деп атайды және ол бұлшықет терапиясы үшін қолданылады. Жоғары температураға қыздыру гипертермия терапиясы деп аталады және ол қатерлі ісіктер мен ісік тіндерін жою үшін қолданылады. RF қыздыру ағаш өнеркәсібінде фанера, саусақ тіркемесі және жиһаз құрастыруда қолданылатын желімдерді бекіту үшін қолданылады. Сондай-ақ, RF қыздыру ағаштарды кептіру процесін жылдамдату үшін де қолданылуы мүмкін.

Микротолқынды қыздыру

Микротолқынды қыздыру, радиожиілікті қыздырудан өзгеше, 100 МГц-тен жоғары жиіліктегі диэлектрлік қыздырудың бір саласы болып табылады, онда электромагниттік толқын кішкентай эмиттерден шығарылып, кеңістікте нысанаға бағытталуы мүмкін. Қазіргі заманғы микротолқынды пештер радиожиілікті қыздырғыштарға қарағанда әлдеқайда жоғары жиілігі және қысқа толқын ұзындығы бар электромагниттік толқындарды қолданады. Әдеттегі тұрмыстық микротолқынды пештер 2,45 ГГц жиілігінде жұмыс істейді, бірақ 915 МГц жиілігінде жұмыс істейтін пештер де бар. Бұл микротолқынды қыздыруда қолданылатын толқын ұзындығы 0,1 см-ден 10 см-ге дейін болатынын білдіреді. Бұл өте тиімді, бірақ тереңдеуі аз диэлектрлік қыздыруды қамтамасыз етеді. Микротолқынды жиіліктерде конденсатор тәрізді пластиналар жиынтығын қолдануға болғанымен, олар қажет емес, себебі микротолқындар алыс өріс түріндегі ЭМ сәулелену ретінде бар және олардың сіңірілуі үшін радиожиілікті қыздыру сияқты кішкентай антеннаға жақын болудың қажеті жоқ. Қыздырылатын материалды (металл емес) толқындардың жолына орналастыру жеткілікті, ал қыздыру контактісіз процесте жүзеге асырылады, онда сыйымдылық өткізгіш пластиналар қажет емес.

Тамаққа қолдану

Тамақтарды кептіргенде диэлектрлік қыздыру әдетте дәстүрлі қыздырумен біріктіріледі. Оны ыстық ауа кептіргішіне шикізатты алдын ала қыздыру үшін қолдануға болады. Шикізаттың температурасын жылдам көтеріп, ылғалдың бетке қарай жылжуына мүмкіндік бере отырып, ол кептірудің жалпы уақытын қысқарта алады. Диэлектрлік қыздыруды кептіру циклының ортасында, тамақ төмендеу кезеңіне енген кезде қолдануға болады. Бұл кептіру жылдамдығын арттырады. Егер диэлектрлік қыздыру ыстық ауамен кептірудің соңына жақын қолданылса, ол кептіру уақытын айтарлықтай қысқартады және осылайша кептіргіштің өнімділігін арттырады. Диэлектрлік қыздыруды кептірудің соңғы сатыларында пайдалану жиі кездеседі. Радиожиілікті (RF) қыздырудың маңызды қолданылу салаларының бірі – печеньелерді пісіруден кейін қосымша өңдеу. Печенье пісірудің мақсаты – дұрыс мөлшері, пішіні, түсі және ылғалдылығы бар өнім алу. Дәстүрлі пеште ылғалдылықты қажетті деңгейге дейін төмендету пісірудің көп бөлігін алып жатады. RF қыздыруды қолдану пісіру уақытын қысқартуға мүмкіндік береді. Пеш печеньелердің дұрыс мөлшері, пішіні және түсін жасау үшін бапталады, бірақ RF қыздыру қалған ылғалды жою үшін қолданылады, бұл бұрыннан құрғақ бөліктерді артық қыздырмайды. RF қыздыруды қолдану арқасында пештің сыйымдылығын 50%-дан астамға арттыруға болады. RF қыздыру арқылы пісіруден кейін қосымша өңдеу таңғы астықтар мен астық негізіндегі балалар тағамдарына да қолданылған. Электромагниттік энергияны пайдалану арқылы тағамның сапасы максималды деңгейде сақталады және дәстүрлі қыздырудан жақсы қорғалады. Дәстүрлі қыздыру температураның үлкен айырмашылығына және ұзақ өңдеу уақытына әкеледі, бұл тағам бетінде артық өңдеуге және өнімнің жалпы сапасының нашарлауына себеп болуы мүмкін. Электромагниттік энергия қысқа мерзімде жоғары өңдеу температурасына қол жеткізе алады, сондықтан көбірек қоректік және сенсорлық қасиеттер сақталады.