СВЧ - энергией

Сверхвысокочастотная (СВЧ) энергия, используемая для нагрева различных веществ, может быть применена для приготовления пищи, сушки белья, размораживания продуктов и в других бытовых устрой­ствах, где необходима тепловая энергия. Однако широкое распростра­нение СВЧ - энергия получила только в технологии приготовлении пищи, что связано с особенностями физического процесса нагрева СВЧ - полями.

Микроволновое или сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение — это электромагнитные волны длиной от одного миллиметра до одного метра. Волны этого диапазона применяются не только в микроволновых печах, но и в радиолокации, радионавигации, системах спутникового телевидения, сотовой телефонии и т.д.

Микроволны существуют в природе, их испускает Солнце. В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Эта частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Зная, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света с, равной 300000 км/сек, нетрудно подсчитать, чему равна длина волны L микроволнового излучения данной частоты:

L = c/f = 12,25 см

Для того чтобы понять принцип работы микроволновой печи, нужно вспомнить что волна представляет собой сочетание переменных полей — электрического и магнитного.

Если учесть, что частота микроволн составляет 2450 МГц, а 1 герц — это одно колебание в секунду, мегагерц — один миллион колебаний в секунду. За один период волны поле меняет свое направление дважды от «плюса» к «минусу», и обратно. Таким образом, СВЧ-поле меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду.

Под действием микроволнового излучения молекулы двигаются с высокой частотой, а выделяющееся при этом тепло служит причиной разогрева пищевых продуктов.

Тепловая обработка пищевых продуктов в СВЧ - приборах осуществляется электромагнитной энергией, которую вырабатывает входящий в схему печи магнетронный генератор. Тепловая обработка основана на интенсивном поглощении всем объемом обрабатываемого продукта подводимой электромагнитной энергии.

В состав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Для того чтобы пищу можно было нагреть с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких молекул, на одном конце которых имеется положительный элекрический заряд, а на другом — отрицательный. В пищевых продуктах диполями являются молекулы жиров, сахаров, но главное, что диполем является молекула воды — самого распространенного в природе вещества. Каждый кусочек овощей, мяса, рыбы, фруктов содержит миллионы дипольных молекул. В отсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически. В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, «плюсом» в одну сторону, «минусом» в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180^о.

Рис. 1. Геометрия молекулы воды а - атом водорода с одним электроном и атом кислорода с шестью электронами на внешней орбите, б - два aтома водорода и один атом кислорода образовали молекулу воды. В ней с одном стороны избыток положительных зарядов, а с противоположной избыток отрицательных. Так у молекулы образуются два противоположных по знаку полюса. Из-зa чтого ее называют диполем. в - общий вид диполя молекулы воды. г - размеры молекулы воды в ангстремах для парообразного состояния.

Под действием переменного поля в веществе возникает поляризация, то есть направленное перемещение связанных электрических зарядов. Для веществ, в состав которых входит вода, главным видом поляри­зации является дипольная, вызванная несимметрией расположения атомов водорода относительно атома кислорода. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у молекулы воды не совпадают и образуют диполь. В молекуле Н₂О атом кислорода с его шестью внешними электронами имеет две наполовину заполненные р – орбиты и может образовывать две р – связи с двумя атомами водорода, образовывая ковалентную молекулу Н₂О. Ковалентная связь образуется за счет перекрывания электронных облаков двух атомов. Каждый атом предоставляет один неспаренный электрон для образования одной химической связи, при этом происходит образование общей электронной пары. Т.к. р – связи перпендикулярны, то валентный угол между атомами водорода должен быть равен 90°, однако в результате взаимного отталкивания атомов водорода угол между ними увеличивается до 104° и возникает электрический момент. Таким образом, дипольная молекула воды под действием внешнего электрического поля приобретает вращательный момент, образованный парой зарядов. Момент вращения пропорционален произведению m×Ē, где m - относительная магнитная проницаемость вещества, Ē – напряженность электрического поля.

При известных значениях удельного объемного сопротивления вещества r и относительной диэлектрической проницаемости e при определенной температуре тангенс угла диэлектрических потерь проводимости рассчитывается по формуле:

. (1)

Поляризация молекул со сверхвысокой частотой вызывает трение между ними с выделением теплоты, которая тем больше, чем выше частота f и напряженность Е поля. Удельная тепловая энергия, выделяемая веществом, (Вт/см³):

, (2)

где	Р	- удельная тепловая энергия;
	e’	- диэлектрическая проницаемость;
	tgd	- тангенс угла диэлектрических потерь проводимости;
	f	- частота СВЧ - поля;
	Е	- напряженность СВЧ - поля.

При пересечении СВЧ - полем проводника возникает поверхностный эффект, заключающийся в том, что движение носителей тока вытес­няется к поверхности. Чем больше частота, тем больше проявляется действие поверхностного эффекта. Глубина проникновения тока в про­водник h (см) рассчитывается из соотношения (2):

. (3)

За глубину проникновения принимают глубину, на которой напря­женность поля уменьшается в е раз (е — основание натуральных лога­рифмов).

Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество умень­шается с увеличением e ’, tg d, f, а выделяемая тепловая энергия повы­шается. Исходя из этого рабочая частота для СВЧ - приборов должна быть выбрана из компромиссных соображений. В настоящее время решением Международной комиссии по радиочастотам для бытовых СВЧ - приборов выделена частота 2450 МГц.