Încălzirea dielectrică este o metodă de încălzire a materialelor dielectrice cu un câmp electric alternativ de înaltă frecvență (HFC - curenți de înaltă frecvență; interval 0,3-300 MHz) sau o undă electromagnetică (MW - frecvențe ultraînalte; interval 0,4 - 10 GHz). Încălzirea de înaltă frecvență a dielectricilor se realizează în condensatoare, iar încălzirea cu microunde - în ghiduri de undă și rezonatoare cu cavitate.
Încălzirea este cauzată de pierderile de polarizare ale dielectricilor .
O caracteristică distinctivă a încălzirii dielectrice este degajarea volumetrică de căldură (nu neapărat omogenă) în mediul încălzit. În cazul încălzirii HDTV, degajarea căldurii este mai uniformă datorită adâncimii mari de pătrundere a energiei în dielectric; încălzirea cu microunde se caracterizează printr-o adâncime mică de penetrare și încălzire la suprafață, precum și neomogenitatea încălzirii în spațiul undelor staționare; omogenitatea se realizează datorită conductivității termice a materialului.
În comparație cu încălzirea prin inducție , folosită pentru încălzirea materialelor conductoare electric cu curent alternativ cu o frecvență de cel mult 30 MHz, încălzirea dielectrică se realizează de obicei folosind frecvențe mai mari.
Un material dielectric (lemn, plastic, ceramică) este plasat între plăcile unui condensator [1] , care este alimentat cu o tensiune de înaltă frecvență de la un generator electronic pe tuburi radio. Un câmp electric alternativ între plăcile condensatorului determină polarizarea dielectricului și apariția unui curent de polarizare , care încălzește materialul.
Avantajele metodei: viteză mare de încălzire; metoda curata fara contact care permite incalzirea in vid, gaz de protectie etc.; încălzirea uniformă a materialelor cu conductivitate termică scăzută; implementarea încălzirii locale și selective etc.
Domenii de aplicare a metodei: uscarea materialelor (lemn, hârtie, ceramică etc.); încălzirea materialelor plastice înainte de presare; sudarea materialelor plastice; uscarea cusăturilor adezive; încălzirea solului înainte de mutări; lipirea lemnului etc.
Încălzirea cu microunde folosește unde electromagnetice cu frecvențe de peste 100 MHz. Cuptoarele moderne cu microunde folosesc de obicei 2,45 GHz, deși există dispozitive care funcționează la 915 MHz.
Când se utilizează unde electromagnetice cu microunde, încălzirea este cauzată de rotația dipolului molecular în dielectric - o moleculă de dipol tipică este o moleculă de apă. În acest caz, dispozitivele bazate pe magnetroni sunt folosite ca generator .
Vibrațiile forțate ale moleculelor polare sub acțiunea unui câmp electric extern duc la frecare intermoleculară, ca urmare, căldura este eliberată în întregul volum al dielectricului. În materialele dielectrice neideale (curentul electric parțial conducător), are loc o încălzire suplimentară datorită conducției. În dielectrici, în care procesul de polarizare a moleculelor este nesemnificativ, iar conductivitatea electrică este extrem de mică, nu va exista încălzire de către un câmp electromagnetic; astfel de materiale: sticlă, hârtie, porțelan, faianță, multe materiale polimerice, aer etc. [2] .
Metoda este cea mai utilizată pentru dezghețare și încălzire la gătit. Deoarece apa din produsele alimentare conține o cantitate mare de diferite săruri care se disociază în ioni care servesc ca purtători de sarcini electrice și, de asemenea, reacționează la un câmp electromagnetic alternativ, încălzirea produselor se datorează atât reorientării moleculelor dipolului polar, cât și deplasării ionii.
Pentru prima dată, efectul încălzirii unui dielectric într-un câmp electromagnetic alternativ a fost observat de E. V. Siemens în 1864, apoi în 1886 I. I. Borgman a studiat încălzirea peretelui de sticlă al unui borcan Leyden în timpul încărcării și descărcării. Efectul și-a găsit aplicație în medicină. În 1891, Nikola Tesla a propus utilizarea efectului termic al unui câmp electromagnetic pentru nevoile medicinei, iar d'Arsonval , după ce a descoperit că un câmp electromagnetic alternant cu o frecvență peste 10 kHz nu irită țesuturile, ci are diverse efecte fiziologice, inclusiv efectele termice, el a propus trei metode practice de tratament: folosind electrozi, plăci capacitive și inductori .
În 1899, chimistul austriac R. von Zaynek a determinat viteza de degajare a căldurii în țesuturi în funcție de frecvența și puterea curentului și a propus utilizarea câmpurilor electromagnetice cu o frecvență de peste 200 kHz pentru încălzirea profundă a țesuturilor corpului și tratament. Din 1906, metoda a început să se răspândească rapid și în 1908 medicul german Karl Franz Nagelschmidt a numit-o diatermie și în 1913 a scris primul manual pe acest domeniu de terapie .
Până în anii 1920, dispozitivele de diatermie cu undă lungă cu bobine Tesla cu descărcare prin scânteie care funcționează la frecvențe de 0,1-2 MHz erau folosite în scopuri terapeutice. În 1925, A. Esau ( ing. Abraham Esau ) a observat că emițătorul de putere mare în domeniul contorului a provocat o senzație de încălzire în personal și a propus utilizarea undelor cu microunde pentru terapie; împreună cu E. Shliphake, a efectuat teste pe animale și oameni, iar I. Petzold a investigat efectul frecvenței asupra adâncimii încălzirii. Rezultatul a fost „diatermia cu undă scurtă” folosind frecvențe în intervalul 10-300 MHz.
În ciuda complexității și costului ridicat al echipamentelor, încălzirea dielectrică și-a găsit o aplicație largă în industrie, deoarece permite încălzirea materialelor omogene neconductoare la o viteză mare și uniformitate și a materialelor neomogene în mod selectiv, de exemplu, în timpul uscării sau lipirii.
În 1930-1934, N. S. Selyugin din filiala Leningrad a Institutului Central de Cercetare pentru Prelucrarea Mecanică a Lemnului a dezvoltat o tehnologie pentru uscarea lemnului cu curenți de înaltă frecvență ( Selyugin N. S. Uscarea lemnului . - Leningrad: Goslestekhizdat, 1936. - 560 p.; Uscarea și încălzirea lemnului în câmpul de înaltă frecvență / N. S. Selyugin, S. N. Abramenko, V. A. Zhilinskaya, G. A. Sofronov; Sub conducerea generală a Prof. D. F. Shapiro; Comisariatul Poporului pentru Păduri al URSS, Trustul de stat All-Union „Sevzaples”. Cercetare științifică centrală laborator de prelucrare mecanică a lemnului.- Leningrad: Goslestekhizdat, 1938. - 127 p.). În același timp, A. I. Ioffe a primit un certificat de drepturi de autor pentru uscarea de înaltă frecvență a lemnului . Pentru prima dată la scară industrială, metoda a fost aplicată pentru uscarea semifabricatelor de mesteacăn și fag la fabrica de încălțăminte Skorokhod din Leningrad.
În anii 1930, s-a studiat uscarea și sterilizarea fructelor folosind unde electromagnetice, iar P.P.Tarutin de la VNIIZerna a studiat uscarea și distrugerea dăunătorilor cerealelor folosind curenți de înaltă frecvență ( Utilizarea undelor ultrascurte pentru combaterea dăunătorilor și efectele termice asupra grâului. - Gostorgizdat . , 1937 - 190 p.).
În anii 1940, în Statele Unite au fost dezvoltate metode pentru încălzirea de înaltă frecvență a materialelor plastice, lipirea lemnului și a placajului. În Franța, A. Ezau a fost implicat în dezvoltarea metodelor de uscare de înaltă frecvență a textilelor și a produselor alimentare, lipirea lemnului și încălzirea materialelor plastice înainte de presare; Încălzirea RF a ceramicii a fost dezvoltată de M. Descarsin (1946); vulcanizarea cauciucului - LeDuc și Dufour.
Încălzirea cu microunde a intrat în uz după inventarea magnetronului în anii 1940. În 1947, în Statele Unite, primul cuptor cu microunde Radarrange a fost instalat într-un vagon restaurant, care folosea încălzire cu unde electromagnetice cu o frecvență de 2400 MHz. Lucrările privind aplicarea industrială a încălzirii la frecvențele microundelor au început la începutul anilor 1960: în SUA și Japonia au fost dezvoltate metode de spargere a rocilor; în SUA și Germania au fost efectuate experimente pentru obținerea unei torțe cu plasmă.
La sfârșitul anilor 1980, compania austriacă Linn a creat o unitate cu microunde la temperatură înaltă (până la 2000 °C) pentru sinterizarea oxidului.