Meccanismi di conversione

dell’energia elettromagnetica in

calorecalore

• L’azione di un’onda sulla materia dipende dalle forze oscillanti che il campo esercita sulle cariche microscopiche che costituiscono la materia (elettroni, nuclei atomici).

• Tali forze determinano il moto dei corpuscoli e determinano uno scambio energetico fra onda e determinano uno scambio energetico fra onda e materia

• In tutti i casi lo scambio comporta una perdita dell’energia dell’onda, che viene dissipata nella materia, in maggiore o minor misura, trasformandosi in calore

Tipologie

• perdita per conduzione (effetto Joule);

• perdita dielettrica;

• perdita magnetica.

• LA PERDITA PER EFFETTO JOULE si manifesta nei materiali conduttori (metalli, semiconduttori, gas ionizzati) o anche nei materiali dielettrici, a causa dell’eventuale presenza di impurità ioniche (es., sali disciolti nell’acqua) che determinano una debole conducibilità.

• I conduttori sono caratterizzati dalla presenza di • I conduttori sono caratterizzati dalla presenza di un grandissimo numero di elettroni e/o di ioni, liberi di muoversi all’interno del materiale. Il moto, provocato dall’azione che il campo elettrico esercita sulle cariche, costituisce la ben nota “corrente elettrica”

• Le collisioni subite dagli elettroni/ioni

determinano la generazione di calore (effetto

Joule).

• L’effetto Joule è utilizzato industrialmente per • L’effetto Joule è utilizzato industrialmente per

il riscaldamento a bassa frequenza dei

materiali conduttori (es., nei forni a induzione)

o di alcune sostanze alimentari.

• LA PERDITA DIELETTRICA dipende dal fenomeno della “polarizzazione elettrica”, i cui effetti sono particolarmente accentuati nei cosiddetti “dielettrici polari”.

• I dielettrici polari – ad esempio l’acqua – sono costituiti da molecole asimmetriche, in cui i centri delle cariche positive (nuclei) e negative costituiti da molecole asimmetriche, in cui i centri delle cariche positive (nuclei) e negative (elettroni) non coincidono.

• Le molecole si comportano come una coppia di cariche puntiformi di segno opposto, separate da una certa distanza (dipolo elettrico).

+

–

q

– q

F = qE

–F = – qE

E

E° 0 E =0 E ≠0

a b c

a) Comportamento dipolare: subisce l’azione del campo

b) Se il campo è nullo l’orientamento è casuale

c) Maggiore è il campo applicato, maggiore è la polarizzazione

• Se il campo oscilla cambiando periodicamente orientamento, la polarizzazione cambia orientamento con la stessa frequenza. I dipoli sono costretti ruotare scambiando energia con l’onda e, a causa delle collisioni con i dipoli vicini trasferiscono parte dell’energia al moto di agitazione termica, generando calore. agitazione termica, generando calore.

• Questo meccanismo, tipico dei dielettrici polari e particolarmente efficace allo stato liquido, dà luogo alla cosiddetta “perdita dielettrica di rilassamento”

• A differenza della generazione di calore per effetto Joule, che si verifica anche a frequenze comunque basse, la generazione di calore per effetto delle perdite dielettriche tende a svanire alle basse frequenze

• D’altro canto, se la frequenza cresce molto, • D’altro canto, se la frequenza cresce molto, l’inerzia delle molecole fa sì che la rotazione dei dipoli non riesca a tenere il passo con le variazioni del campo, fino al punto da rendere trascurabile la polarizzazione del materiale e da neutralizzare il meccanismo di perdita dielettrica.

• La perdita dielettrica di rilassamento si manifesta nella sua massima intensità a frequenze comprese nella banda delle microonde. Per molti dielettrici polari la generazione di calore è massima a frequenze comprese fra 0.8 e 3 GHzcomprese fra 0.8 e 3 GHz

• Questo spiega perchè le frequenze destinate al riscaldamento industriale a microonde (es. 2.45 GHz) sono allocate proprio in questa banda.

• Un meccanismo di polarizzazione elettrica diverso

da quello per orientamento, ed esistente in tutti i

materiali, consiste nella creazione di momenti di

dipolo indotti dall’azione del campo elettrico,

attraverso la deformazione che le forze elettriche

generano nelle strutture atomiche, anche in generano nelle strutture atomiche, anche in

quelle naturalmente simmetriche.

• I dipoli così creati sono allineati col campo e

determinano la polarizzazione del materiale.

• Questo fenomeno si manifesta in due forme, note come “polarizzazione elettronica” e “polarizzazione atomica”

• In presenza di campi oscillanti, anche queste forme di polarizzazione determinano dissipazione forme di polarizzazione determinano dissipazione d’energia e riscaldamento, particolarmente sensibili quando la frequenza è prossima a ben determinate frequenze, dipendenti dalla struttura atomica e tipicamente appartenenti alle bande dell’infrarosso, del visibile e oltre

• LE PERDITE MAGNETICHE, si manifestano nei “materiali magnetici”, come il ferro, il cobalto, il nichel e i loro ossidi (ferriti). Esse traggono origine dall’azione di orientamento che il campo magnetico determina sugli assi di rotazione di alcuni degli elettroni presenti negli atomi di queste sostanze. Come le perdite dielettriche queste sostanze. Come le perdite dielettriche anche le perdite magnetiche si manifestano in presenza di campi oscillanti, ma sono massime a frequenze molto al disotto della banda delle microonde.

In generale

δ angolo di perdita

Energia immagazzinata

Potenza dissipata

Polarizzazione atomica e ionica

Profondità di penetrazione

Nel caso di buoni conduttori

Materiali dielettrici e polarizzabilità

elettrica

Andamento in frequenza

Acqua distillata

Š'

Š"

100

10

H2O a 25°C

effetto della perdita per conduzione

picco d'assorbimento causato dala perdita dielettrica di rilassamento

polarizzazione atomica ed elettronica

0.1 1 10 100 1000 10000 GHz

1

Andamento di e’ ed e” in funzione della frequenza per l’acqua distillata. In tratteggio è indicata la modifica che l’aggiunta di sali provoca nell’andamento di e” a bassa frequenza, a causa della perdita per conduzione ionica.

Dipendenza dalla temperatura

Ad esempio nel caso dell’acqua a 3 GHz si ha:

ε’ = 76,7 ε” = 12 acqua distillata a 25°C;ε’ = 3,2 ε” = 0,003 ghiaccio puro a –12°C.

MATERIALE f [GHz] T [°C] ε’ λ [cm] tangδ d [cm]

cemento secco 1,0 25 6,57 11,7 0,53 2,42

cemento umido 1,0 25 13,2 8,26 0,48 2,11

patata (78% di acqua) 3,0 25 8,1 3,51 0,38 1,02

manzo crudo 3,0 20 48,3 1,43 0,28 0,56manzo crudo 3,0 20 48,3 1,43 0,28 0,56

manzo surgelato 2,45 –20 4,4 4,77 0,12 4,37

resina epossidica 1,0 25 3 17,32 0,015 127

poliestere 8,5 25 3,12 2.00 0,0028 78,5

allumina pura 3,725 9,02 2,70 0,00076 391

700 10 2,56 0,00930 30,3

teflon 2,43 25 2,02 8.69 0,00042 2275