Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Для большинства продуктов конвекцию можно отбросить или ее придется организовывать специальным образом. Теплопроводность — процесс весьма длительный, зависящий от свойств вещества и градиента температуры. Увеличить этот градиент при прочих равных условиях можно только в очень ограниченных пределах, да и то за счет специальных мер (вспомните искусство поджаривания блинов или приготовления шашлыка). В этом смысле для объемного разогрева электромагнитное поле находится вне конкуренции. Однако величина поглощения поля веществами сильно зависит от частоты и напряженности поля. Последняя имеет верхнее ограничение, связанное с электрическим пробоем воздуха. Продукты или блюда, подлежащие нагреванию, содержат в большом количестве воду и поэтому ее электрофизические свойства являются определяющими при выборе характера воздействия. Конечно, если необходимо нагреть некий сплошной объем воды, то задача решается просто кондуктивно-конвективным нагревом ТЭНами или прямым (контактным) джоуль-ленцовским нагревом за счет токов через погруженные в нее электроды. Правда, при использовании прямой проводимости появляется еще электролиз, да и вопросы электробезопасности обостряются. Но все же курицу этими способами, увы, не приготовишь, а все контактные методы по многим параметрам уступают бесконтактным в принципе за счет явлений на границах раздела.

Ограничимся рассмотрением нагрева диэлектриков. Тогда, при создании бесконтактных (волновых) нагревательных устройств исходят из следующего общего соотношения, которое связывает величину плотности потока энергии электромагнитных волн Р (Вт/м³), поглощаемых в единице объема вещества с его свойствами и характеристиками поля

где Е — напряженность электрического поля. В/м; f — частота, Гц; _о= 8.85·10^{– 12} Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума;  — относительная диэлектрическая проницаемость вещества; — угол диэлектрических потерь.

Из приведенной формулы видно, что при прочих равных условиях выгоднее всего использовать поля с большой частотой в диапазоне, где диэлектрические потери максимальны. При этом следует иметь в виду, что с ростом этих величин происходит также уменьшение глубины проникновения поля в материал.

Характеристики интересующих нас материалов таковы, что если бы мы сделали подходящие соленоид или конденсатор, работающие на промышленной частоте, и с помощью их поля попытались бы с утра приготовить блюдо, то вряд ли нам удалось бы вовремя не только позавтракать, но и поужинать. Дело в том, что электромагнитные потери на частоте 50 Гц в воде ничтожно малы.

Вот если нам не очень к спеху, то ввиду простоты реализации эти способы годятся и их применяли в промышленности для сушки лесоматериалов, а также при производстве железобетонных изделий.

Учитывая частотную зависимость фактора поглощения, инженеры пошли по частоте вверх — к ВЧ, благо этот диапазон в радиотехнике был уже давно освоен, но в быту подобные установки не применялись за исключением физиотерапии, так как некий барьер эффективности преодолен не был. Случай со Спенсером привлек внимание инженеров и ученых к более детальному анализу СВЧ-нагрева. Из этого анализа следовало, что максимальное количество энергии поля будет поглощаться на той частоте, на которой находится максимум отклика молекул воды.

Отдельные молекулы воды, например в ее парах, представляют собой диполи, с двумя ионами водорода Н⁺ и одним дважды ионизированным атомом кислорода О₂^– , образующие равнобедренный треугольник с ионом кислорода при вершине с углом 105° и боковыми сторонами, равными 0,96 А°. В твердой фазе молекулы воды образуют кристаллическую решетку, ячейки которой напоминают тетраэдры для упаковки молока.

В жидкости, благодаря тепловому движению молекул, их коллективы случайным образом занимают изменяющиеся разнообразные промежуточные состояния. По образному выражению акад. Я. И. Френкеля, молекулы жидкости ведут себя подобно кочевникам: оседлый образ жизни в узлах временной местной кристаллической решетки (где они совершают колебательные движения) сопровождается их периодическими перескоками в другие положения.

Время, за которые молекулы возвращаются к равновесию, носит название времени релаксации. Оценка этого времени для полярных диэлектриков была дана голландским физиком П. Дебаем.

Согласно его теории применительно к молекулам воды, находящейся в жидкой фазе, их ориентационная поляризация и деполяризация аналогичны вращению твердой сферы в вязкой жидкости, приводящему к потерям. В зависимости от соотношения между частотой внешнего поля и величиной, обратной периоду релаксации, величина этих потерь может быть выражена через фактор потерь (tg ) экспериментально и теоретически.

Наиболее просто воспользоваться для полуколичественных оценок интерпретацией этой зависимости с помощью приближения RC-цепей.

На рис. 135, а показана простейшая цепь (по Хиппелю), моделирующая релаксационные потери в воде в зависимости от частоты.

Поведение молекул воды в электромагнитном поле здесь представлено конденсатором С1, учитывающим собственно ориентационную поляризацию вещества, резистором R1 — потери при этом, а также резистором R2, учитывающим потери независимо от частоты. Источник Е1 дает возможность вместе с Боде плоттером исследовать АЧХ цепи.

Элемент, через который исследуемая цепь подключена к зажиму плоттера, является зависимым источником напряжения Е2, которое пропорционально току в измерительном резисторе (принятом за 1 мОм). То есть, попросту, это датчик тока с коэффициентом деления на 1000.

Рис. 135 Моделирование поглощения электромагнитной энергии водой в СВЧ-диапазоне:

_{а — модель в EWB; б — АЧХ тока в модели; в — график частотной зависимости фактора потерь}

АЧХ тока в этой цепи показана на рис. 135, б, причем положение визирной линии на экране соответствует частоте примерно 2,4 ГГц. Частотная зависимость tg для этой же модели, в двойном логарифмическом масштабе, полученная вычислением в программе Mathcad показана на рис. 135, в.

В более точных (и, соответственно, сложных) моделях и эксперименте наблюдается максимум tg в области частот >10¹⁰ ГГц, но и при частоте 2,45 ГГц значение весьма велико. Это и привело к тому, что на ней работает сейчас большинство СВЧ-печей.

Выбор этих частот связан также с тем, что в отличие от электромагнитных волн инфракрасного диапазона ( ~= 1·10^{– 6} м и f ~= 3·10¹⁴ Гц), также невидимых человеческим глазом, и также активно поглощаемых водой и многими другими веществами (за счет колебаний отдельных атомов в сложных молекулах относительно друг друга), волны СВЧ-диапазона проникают значительно дальне в глубь тел, обеспечивая быстрый объемный, а не поверхностный, нагрев. Поэтому, если требуется не только сварить, но и поджарить, образуя корочку, СВЧ-нагрев дополняют инфракрасным (гриль).

Кроме выше перечисленных причин, существует еще и жесткий регламент на использование той или иной части спектра электромагнитных волн, и определенная коллизия заключается в том, что «гигагерцевые» частоты были отведены для спутниковой радиосвязи. В то же время, помимо, СВЧ-нагрева, на их использование уже все больше начинают претендовать и компьютеры.

Модель бытовой СВЧ-печи

В простейшей бытовой СВЧ-печи в качестве генератора используется магнетрон (см. рис. 10). Питание магнетрона осуществляется от высоковольтного (4 кВ) выпрямителя, построенного по схеме удвоения напряжения. Упрощенная схема-модель силовой части СВЧ-печи показана на рис. 136, а.