חימום דיאלקטרי

חימום דיאלקטרי הוא תהליך שבו קרינה אלקטרומגנטית בתחום גלי רדיו או מיקרוגל מחממת חומר דיאלקטרי - חומר מבודד שדרכו עוברת הקרינה. המנגנון שמחמם את החומר הוא רוטציה של מולקולה בעלת דיפול חשמלי.

התהליך הפיזיקליעריכה

כאשר דיפול חשמלי נמצא בשדה חשמלי, הכוח שמפעיל השדה החשמלי על הדיפול הוא בכיוון שמקטין את הזווית בין וקטור הדיפול לבין כיוון השדה, כך שמולקולות קוטביות בשדה חשמלי קבוע מתיישרות למצב שיווי משקל בכיוון השדה. קרינה אלקטרומגנטית היא שדה שמשתנה באופן מחזורי, וכתוצאה מכך המולקולות מסתובבות יחד עם שינוי השדה החשמלי. המולקולות המסתובבות מושכות, דוחפות ומתנגשות עם מולקולות אחרות וכך מעבירות אנרגיה קינטית למולקולות שכנות. מכיוון שהטמפרטורה של חומר יחסית לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים המרכיבים אותו, עירור מולקולות מעלה את הטמפרטורה של החומר. כך הופכת אנרגיה חשמלית מהקרינה האלקטרומגנטית לאנרגיית חום.

חשוב להבין שכיוון שהשדה החשמלי החיצוני תונד בתדירות גבוהה, המידה בה חימום דיאלקטרי משפיע באופן יעיל על חומר דיאלקטרי תלויה בזמן הרלקסציה (זמן התגובה) הסופי של הדיפולים החשמליים בחומר, או באופן שקול בחלק המדומה של המקדם הדיאלקטרי של החומר (ולא בחלק הממשי של המקדם הדיאלקטרי!). את החלק המדומה ניתן לפרש כמייצר הפרש פאזה בין השדה החשמלי החיצוני לצפיפות הפולריזציה החשמלית (במקרה של קיטוב ליניארי), וכמייצר הפרש פאזה בין כיוון השדה החיצוני לאוריינטציה של הדיפולים (כאשר מדובר בקיטוב מעגלי). אילו למולקולות הקוטביות של החומר היה מומנט אינרציה אפס והן היו מתיישרות מיידית עם השדה החיצוני, אז שדה זה למעשה לא היה מבצע עבודה ולא הייתה מועברת אנרגיה לדיפולים כלל.

חימום דיאלקטרי דרך רוטציה של מולקולות הוא דרך חימום המזון בתנור מיקרוגל, והוא יעיל במיוחד עבור מים נוזליים, העשויים ממולקולות קוטביות מאוד הנעות ומוסרות אנרגיה ביעילות לשכנותיהן.

הספק החימוםעריכה

ההספק ליחידת נפח המועבר לחומר בעת חימום דיאלקטרי מחושב על ידי:

 

כאשר f היא התדירות של הקרינה האלקטרומגנטית,   הוא החלק המדומה של המקדם הדיאלקטרי המרוכב של החומר, ε0 הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק ו-E היא משרעת רכיב השדה החשמלי של הקרינה.

ראו גםעריכה