微波知识讲座(二)(来源:微波汇研微波公司)
微波的特殊性质
当微波在传输过程中遇到不同的材料时,会产生反射、吸收和穿透现象,这些作用和其程度、效果取决于材料的几个主要的固有特性:介电常数(εr)、介质损耗角正切(tgδ,简称介质损耗)、比热、形状、含水量的大小等。
1. 常用材料
在微波加工系统中,常用的材料有导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合物几类。
1) 导体 一定厚度以上的导体,如铜、银、铝之类的金属,能够反射微波,因此在微波系统中,常利用导体反射微波的这种特殊的形式来传播微波能量。例如微波装置中常用的波导管,就是矩形或圆形的金属管,通常由铝或黄铜制成。它们像光纤传导光线一样,是微波的通路。
2)绝缘体 在微波系统中,绝缘体有其完全不同于普通电路中的地位,绝缘体可渗透微波并且,并且它吸收的微波功率很小。微波和绝缘体相互间的影响,就像光线和玻璃的关系一样,玻璃使光线部分地反射,但大部分则透过,只有很少部分被吸收。在微波系统中,根据不同地情况使用着玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料之类地绝缘体,它们常作为反应器的材料。由于这种“透明”特性,在微波工程中也常用绝缘体材料来防止污物进入某些要害部位,这时的绝缘体就成为有效的屏障。
3)介质 对微波而言,介质具有吸收、穿透和反射的性能。介质通常就是被加工的物料,他们不同程度地吸收微波的能量,这类物料也称为有耗介质。特别是含水和含脂肪的食品,它们不同程度地吸收微波能量并将其转变为能量。
4)极性和磁性化合物 这类材料的一般性能非常像介质材料,也反射、吸收和穿透微波。应当指出,由于微波能量具有能对介质材料和有极性、磁性的材料产生影响的电场和磁场,因此许多极性化合物、磁性材料同介质材料一样,也易于作微波加工材料。
2. 微波对介质的穿透性质
微波进入物料后,物料吸收微波能并将其转变为热能,微波的场强和功率就不断地衰减,即微波透入物料后将进入衰减状态。
不同的物料对微波能的吸收衰减能力是不同的,这随物料的介电特性而定。衰减状态决定着微波对介质的穿透能力。
1) 穿透深度 当微波进入物料时,物料表面的能量密度是最大的,随着微波向物料的渗透,其能量呈指数衰减,同时微波的能量释放给了物料。
穿透深度可表示物料对微波能的衰减能力的大小。一般它有两种定义:
Ⅰ 渗透深度为微波功率从物料表面减至表面值的1/e (36.8%)时的距离,用DE表示,e为自然对数底值。
式中 λ0――自由空间波长
εr――介电常数
tgδ――介质损耗
Ⅱ 微波功率从物料表面衰减到表面值的1/2时的距离,即所谓半功率渗透深度D1/2,其表示式为
渗透深度随波长的增大而变化,换言之,它与频率有关,频率越高,波长越短,其穿透力也越弱。在2450Hz时,微波对水的渗透深度为2.3cm,在915MHz时增加到20cm;245Hz时,微波在空气中的渗透深度为12.2cm;915MHz时为33.0cm。
由于一般物体的
,微波渗透深度与所使用的波长是同一数量级的,这些结论也揭示了一个电磁场穿透能力的物理特性。由此可知,目前远红外线加热常用的波长仅为十几个纳米。因此,与红外、远红外线加热相比,微波对介质材料的 穿透能力要强得多。
穿透能力差的加热方式,对物料只能进行表层加热,从整个物料的加热情况来看,属热传导加热范畴。而微波依靠其穿透能力较强的特点,能深入物料内部加热,使物料表里几乎同时吸热升温形成体热状态加热,其加热方式显然有别于热传导加热,由此,微波加热工艺带来一系列不同的加热效果。
2)穿透深度与温度 微波的穿透深度也和物质的温度有关,见表3。
表3. 微波对不同温度物质的渗透深度