Dielektrický ohřev je způsob ohřevu dielektrických materiálů vysokofrekvenčním střídavým elektrickým polem (HFC - vysokofrekvenční proudy; rozsah 0,3-300 MHz) nebo elektromagnetickou vlnou (MW - ultravysoké frekvence; rozsah 0,4 - 10 GHz). Vysokofrekvenční ohřev dielektrik se provádí v kondenzátorech a mikrovlnný ohřev - ve vlnovodech a dutinových rezonátorech.
Zahřívání je způsobeno dipólovými polarizačními ztrátami dielektrik .
Charakteristickým rysem dielektrického ohřevu je objemové uvolňování tepla (ne nutně homogenní) v ohřívaném médiu. V případě ohřevu HDTV je uvolňování tepla rovnoměrnější díky velké hloubce pronikání energie do dielektrika; mikrovlnný ohřev se vyznačuje malou hloubkou průniku a povrchovým ohřevem a také nehomogenitou ohřevu v prostoru stojatého vlnění; homogenity je dosaženo díky tepelné vodivosti materiálu.
Ve srovnání s indukčním ohřevem , který se používá k ohřevu elektricky vodivých materiálů střídavým proudem o frekvenci nejvýše 30 MHz, se dielektrický ohřev obvykle provádí pomocí vyšších frekvencí.
Mezi deskami kondenzátoru [1] je umístěn dielektrický materiál (dřevo, plast, keramika) , který je napájen vysokofrekvenčním napětím z elektronického generátoru na rádiových elektronkách. Střídavé elektrické pole mezi deskami kondenzátoru způsobuje polarizaci dielektrika a vznik předpětí , který zahřívá materiál.
Výhody metody: vysoká rychlost ohřevu; čistá bezkontaktní metoda umožňující ohřev ve vakuu, ochranném plynu apod.; rovnoměrné zahřívání materiálů s nízkou tepelnou vodivostí; realizace lokálního a selektivního vytápění atd.
Oblasti použití metody: sušení materiálů (dřevo, papír, keramika atd.); zahřívání plastů před lisováním; svařování plastů; sušení lepicích švů; zahřátí půdy před zemními prácemi; lepení dřeva atd.
Mikrovlnný ohřev využívá elektromagnetické vlny s frekvencí nad 100 MHz. Moderní mikrovlnné trouby obvykle používají 2,45 GHz, i když existují zařízení, která pracují na 915 MHz.
Při použití elektromagnetických mikrovlnných vln je ohřev způsoben rotací molekulárního dipólu v dielektriku - typickou dipólovou molekulou je molekula vody. V tomto případě se jako generátor používají zařízení na bázi magnetronů .
Vynucené vibrace polárních molekul působením vnějšího elektrického pole vedou k mezimolekulárnímu tření, v důsledku čehož se teplo uvolňuje v celém objemu dielektrika. V neideálních dielektrických materiálech (částečně vodivých elektrický proud) dochází vlivem vedení k dodatečnému ohřevu. V dielektrikách, ve kterých je proces polarizace molekul nevýznamný a elektrická vodivost je extrémně malá, nebude docházet k zahřívání elektromagnetickým polem; takové materiály: sklo, papír, porcelán, fajáns, mnoho polymerních materiálů, vzduch atd. [2] .
Metoda je nejrozšířenější pro rozmrazování a ohřívání při vaření. Vzhledem k tomu, že voda v potravinářských výrobcích obsahuje velké množství různých solí, které se disociují na ionty, které slouží jako přenašeče elektrického náboje a také reagují na střídavé elektromagnetické pole, je zahřívání výrobků způsobeno jak přeorientováním molekul polárních dipólů, tak přemístěním ionty.
Poprvé efekt ohřevu dielektrika ve střídavém elektromagnetickém poli zaznamenal E. V. Siemens v roce 1864, poté v roce 1886 I. I. Borgman studoval ohřev skleněné stěny Leydenské nádoby při nabíjení a vybíjení. Efekt našel uplatnění v medicíně. V roce 1891 Nikola Tesla navrhl využití tepelného účinku elektromagnetického pole pro potřeby medicíny a d'Arsonval objevil, že střídavé elektromagnetické pole s frekvencí nad 10 kHz nedráždí tkáně, ale má různé fyziologické účinky, např. tepelné efekty, navrhl tři praktické léčebné metody: pomocí elektrod, kapacitních desek a induktorů .
V roce 1899 rakouský chemik R. von Zaynek určil rychlost uvolňování tepla ve tkáních v závislosti na frekvenci a síle proudu a navrhl využití elektromagnetických polí o frekvenci přes 200 kHz pro hluboké prohřívání tělesných tkání a léčbu. Od roku 1906 se metoda začala rychle šířit a v roce 1908 ji německý lékař Karl Franz Nagelschmidt nazval diatermie a v roce 1913 napsal první učebnici této oblasti terapie .
Do 20. let 20. století se k léčebným účelům používaly dlouhovlnné diatermické přístroje s jiskřovými výbojovými Teslovými cívkami pracujícími na frekvencích 0,1-2 MHz. V roce 1925 si A. Esau ( angl. Abraham Esau ) všiml, že vysílač vysokého výkonu v rozsahu metru vyvolává u personálu pocit zahřívání, a navrhl použití mikrovlnných vln k terapii; spolu s E. Shliphakem prováděl testy na zvířatech a lidech a I. Petzold zkoumal vliv frekvence na hloubku ohřevu. Výsledkem byla "krátkovlnná diatermie" využívající frekvence v rozsahu 10-300 MHz.
Navzdory složitosti a vysoké ceně zařízení našel dielektrický ohřev široké uplatnění v průmyslu, protože umožňuje ohřev nevodivých homogenních materiálů vysokou rychlostí a rovnoměrností a nehomogenních materiálů selektivně, například během sušení nebo lepení.
V letech 1930-1934 N. S. Selyugin v leningradské pobočce Ústředního výzkumného ústavu mechanického zpracování dřeva vyvinul technologii sušení dřeva vysokofrekvenčními proudy ( Selyugin N. S. Sušení dřeva . - Leningrad: Goslestekhizdat, 1936. - 560 s.; Sušení a topení dřevem ve vysokofrekvenčním poli / N. S. Selyugin, S. N. Abramenko, V. A. Zhilinskaya, G. A. Sofronov; Pod generální redakcí Prof. D. F. Shapiro; Lidový komisař lesů SSSR, All-Union State Trust " Sevzaples". Centrální vědecký výzkum laboratoř mechanického zpracování dřeva - Leningrad: Goslestekhizdat, 1938. - 127 s.). A. I. Ioffe zároveň obdržel autorský certifikát pro vysokofrekvenční sušení dřeva . Poprvé v průmyslovém měřítku byla metoda použita pro sušení přířezů z břízy a buku v továrně na boty Skorokhod v Leningradu.
Ve 30. letech 20. století bylo studováno sušení a sterilizace ovoce pomocí elektromagnetických vln a P. P. Tarutin ve VNIIZerně studoval sušení a ničení obilných škůdců pomocí vysokofrekvenčních proudů ( Použití ultrakrátkých vln pro hubení škůdců a tepelné účinky na pšenici. - Gostorgizdat , 1937 - 190 s.).
Ve 40. letech 20. století byly ve Spojených státech vyvinuty metody vysokofrekvenčního ohřevu plastů, lepení dřeva a překližky. Ve Francii se A. Ezau zabýval vývojem metod vysokofrekvenčního sušení textilií a potravinářských výrobků, lepením dřeva a ohřevem plastů před lisováním; RF ohřev keramiky vyvinul M. Descarsin (1946); vulkanizace pryže - LeDuc a Dufour.
Mikrovlnný ohřev se začal používat po vynálezu magnetronu ve 40. letech 20. století. V roce 1947 byla ve Spojených státech do jídelního vozu instalována první mikrovlnná trouba Radarrange, která využívala ohřev elektromagnetickými vlnami o frekvenci 2400 MHz. Práce na průmyslové aplikaci ohřevu na mikrovlnných frekvencích začaly na počátku 60. let: metody rozbíjení hornin byly vyvinuty v USA a Japonsku; v USA a Německu byly provedeny pokusy k získání plazmového hořáku.
Koncem 80. let 20. století vytvořila rakouská společnost Linn vysokoteplotní (až 2000 °C) mikrovlnnou jednotku pro slinování oxidů.