Dielektrisk uppvärmning är en metod för uppvärmning av dielektriska material med ett högfrekvent elektriskt växelfält (HFC - högfrekventa strömmar; intervall 0,3-300 MHz) eller en elektromagnetisk våg (MW - ultrahöga frekvenser; intervall 0,4 - 10 GHz). Högfrekvent uppvärmning av dielektrikum utförs i kondensatorer och mikrovågsuppvärmning - i vågledare och kavitetsresonatorer.
Uppvärmning orsakas av dipolpolarisationsförluster hos dielektrikum .
En utmärkande egenskap hos dielektrisk uppvärmning är den volymetriska värmeavgivningen (inte nödvändigtvis homogen) i det uppvärmda mediet. I fallet med HDTV-uppvärmning är värmeavgivningen mer enhetlig på grund av det stora djupet av energipenetration in i dielektrikumet; mikrovågsuppvärmning kännetecknas av ett litet penetrationsdjup och ytuppvärmning, såväl som inhomogenitet av uppvärmning i utrymmet för stående vågor; homogenitet uppnås på grund av materialets värmeledningsförmåga.
Jämfört med induktionsuppvärmning , som används för att värma elektriskt ledande material med växelström med en frekvens på högst 30 MHz, utförs dielektrisk uppvärmning vanligtvis med högre frekvenser.
Ett dielektriskt material (trä, plast, keramik) placeras mellan plattorna på en kondensator [1] , som matas med en högfrekvent spänning från en elektronisk generator på radiorör. Ett växlande elektriskt fält mellan plattorna på kondensatorn orsakar polariseringen av dielektrikumet och uppkomsten av en förspänningsström , som värmer upp materialet.
Fördelar med metoden: hög uppvärmningshastighet; ren beröringsfri metod som tillåter uppvärmning i vakuum, skyddsgas, etc.; enhetlig uppvärmning av material med låg värmeledningsförmåga; genomförande av lokal och selektiv uppvärmning m.m.
Användningsområden för metoden: torkning av material (trä, papper, keramik, etc.); uppvärmning av plast före pressning; svetsning av plast; torkning av självhäftande sömmar; värma upp jorden innan jordflyttning; trälimning etc.
Mikrovågsuppvärmning använder elektromagnetiska vågor med frekvenser över 100 MHz. Moderna mikrovågsugnar använder vanligtvis 2,45 GHz, även om det finns enheter som arbetar på 915 MHz.
Vid användning av elektromagnetiska mikrovågor orsakas uppvärmning av molekylär dipolrotation i dielektrikumet - en typisk dipolmolekyl är en vattenmolekyl. I det här fallet används enheter baserade på magnetroner som en generator .
Påtvingade vibrationer av polära molekyler under verkan av ett externt elektriskt fält leder till intermolekylär friktion, som ett resultat frigörs värme genom hela dielektrikumets volym. I icke-idealiska dielektriska material (delvis ledande elektrisk ström) uppstår ytterligare uppvärmning på grund av ledning. I dielektrikum, där processen för polarisering av molekyler är obetydlig, och den elektriska ledningsförmågan är extremt liten, kommer det inte att ske någon uppvärmning av ett elektromagnetiskt fält; sådana material: glas, papper, porslin, fajans, många polymera material, luft, etc. [2] .
Metoden används mest för upptining och uppvärmning vid matlagning. Eftersom vatten i livsmedel innehåller en stor mängd olika salter som dissocierar till joner som fungerar som bärare av elektriska laddningar och även reagerar på ett växlande elektromagnetiskt fält, beror uppvärmningen av produkter på både omorienteringen av polära dipolmolekyler och förskjutningen av joner.
För första gången noterade E. V. Siemens 1864 effekten av att värma ett dielektrikum i ett växlande elektromagnetiskt fält, sedan studerade I. I. Borgman 1886 uppvärmningen av glasväggen i en Leydenburk under laddning och urladdning. Effekten har funnit tillämpning inom medicin. 1891 föreslog Nikola Tesla att använda den termiska effekten av ett elektromagnetiskt fält för medicinens behov, och d'Arsonval , efter att ha upptäckt att ett växlande elektromagnetiskt fält med en frekvens över 10 kHz inte irriterar vävnader, utan har olika fysiologiska effekter, bl.a. termiska effekter, föreslog han tre praktiska behandlingsmetoder: användning av elektroder, kapacitiva plattor och induktorer .
År 1899 bestämde den österrikiske kemisten R. von Zaynek hastigheten för värmeavgivning i vävnader beroende på strömmens frekvens och styrka och föreslog användning av elektromagnetiska fält med en frekvens på över 200 kHz för djup uppvärmning av kroppsvävnader och behandling. Sedan 1906 började metoden spridas snabbt och 1908 kallade den tyske läkaren Karl Franz Nagelschmidt det diatermi och skrev 1913 den första läroboken om detta område av terapi .
Fram till 1920-talet användes långvågsdiatermiapparater med gnisturladdning Tesla-spolar som arbetar vid frekvenser på 0,1-2 MHz för terapeutiska ändamål. År 1925 märkte A. Esau ( eng. Abraham Esau ) att sändaren med hög effekt i mätarområdet orsakade en känsla av upphettning hos personalen, och föreslog användning av mikrovågsvågor för terapi; tillsammans med E. Shliphake genomförde han tester på djur och människor, och I. Petzold undersökte effekten av frekvens på uppvärmningsdjupet. Resultatet blev "kortvågsdiatermi" med användning av frekvenser i intervallet 10-300 MHz.
Trots utrustningens komplexitet och höga kostnad har dielektrisk uppvärmning funnit bred användning inom industrin, eftersom den tillåter uppvärmning av icke-ledande homogena material med hög hastighet och enhetlighet, och inhomogena material selektivt, till exempel under torkning eller limning.
1930-1934 utvecklade N. S. Selyugin i Leningrad-grenen av Central Research Institute of Mechanical Wood Processing en teknik för torkning av trä med högfrekventa strömmar ( Selyugin N. S. Drying wood . - Leningrad: Goslestekhizdat, 1936. - 560 s.; Torkning och uppvärmning av ved i högfrekvent fält / N. S. Selyugin, S. N. Abramenko, V. A. Zhilinskaya, G. A. Sofronov; Under allmän redaktion av Prof. D. F. Shapiro; People's Commissariat of Forests of the USSR, All-Union State Trust "Sevzaples research". Central vetenskaplig forskning. laboratorium för mekanisk bearbetning av trä - Leningrad: Goslestekhizdat, 1938. - 127 s.). Samtidigt fick A. I. Ioffe upphovsrättsintyg för högfrekvent torkning av trä . För första gången i industriell skala användes metoden för torkning av björk- och bokämnen på Skorokhod skofabrik i Leningrad.
På 1930-talet studerades torkning och sterilisering av frukter med hjälp av elektromagnetiska vågor, och P.P. Tarutin vid VNIIZerna studerade torkning och förstörelse av spannmålsskadegörare med hjälp av högfrekventa strömmar ( Användning av ultrakorta vågor för skadedjursbekämpning och termiska effekter på vete. - Gostorgizdat , 1937 - 190 sid.).
På 1940-talet utvecklades metoder i USA för högfrekvent uppvärmning av plast, limning av trä och plywood. I Frankrike var A. Ezau involverad i utvecklingen av metoder för högfrekvent torkning av textilier och livsmedel, limning av trä och uppvärmning av plast före pressning; RF-uppvärmning av keramik utvecklades av M. Descarsin (1946); vulkanisering av gummi - LeDuc och Dufour.
Mikrovågsuppvärmning kom i bruk efter uppfinningen av magnetronen på 1940-talet. 1947, i USA, installerades den första Radarrange-mikrovågsugnen i en matvagn, som använde uppvärmning med elektromagnetiska vågor med en frekvens på 2400 MHz. Arbetet med industriell tillämpning av uppvärmning vid mikrovågsfrekvenser började i början av 1960-talet: metoder för att bryta stenar utvecklades i USA och Japan; i USA och Tyskland genomfördes experiment för att få fram en plasmafackla.
I slutet av 1980-talet skapade det österrikiska företaget Linn en högtemperatur (upp till 2000 °C) mikrovågsenhet för oxidsintring.