Cuptor cu Microunde. Ghiduri de Unda Uniforma

INTRODUCERE

Definiția și obiectul tehnicii microundelor

Tehnica microundelor este un domeniu al radiotehnicii.

Obiectul tehnicii microundelor constă în studiul și aplicarea metodelor de generare, transmisie, prelucrare și măsurare a câmpului elctromagnetic de microunde.

Gama microundelor este cuprinsă între lungimile de undă =1 mm și =1 mm, adică între frecvențele f=300 MHz și f=300 GHz, fără ca aceste limite să fie rigide.

O clasificare a benzilor cuprinse în domeniul microundelor este dată de tabelul de mai sus cu indicativul corespunzător.

Tabelul include undele decimetrice (0,1m –1m), centimetrice (0,01m – 0,1m) și milimetrice (0,001m – 0,01m). Benzile S, C, X , adică undele centimetrice se consideră a fi caracteristice tehnicii microundelor. În unele cazuri, în domeniul undelor decimetrice este considerat drept un capitol specila al tehnicii microundelor (tehnica undelor decimetrice).

Limita superioară a lungimilor de undă (inferioară a frecvețelor) din domeniul tehnicii microundelor, se gasește in subgama undelor decametrice. În zona de lungimi de undă mici (frecvențe mari), gama microundelor nu se limitează la unde milimetrice, întrucât prin apariția optoelectronicii (a comunicațiilor prin fibră optică, domeniu nou al tehnicii microundelor), se ajunge în spectru vizibil sau adiacent (de exemplu, în regiunea 470 THz (1 THz = 1012 Hz), adică în infraroșu).

Criteriu de bază pentru a aprecia dacă unui circuit i se aplică metodele de calcul specifice microundelor e dat de raportul intre lungimea de undă și dimensiunile circuitului D. Când aceste mărimi sunt de valori apropiate, D circuitele sunt cu parametri distribuiți și fenomenul de propagare este pregnant. Acest caz e caracteristic tehnicii microundelor. Dacă >>D, circuitele sunt cu parametri concentrați, iar fenomenul de propagare nu este sesizabil, adică intensitatea tensiunii sau circuitului nu variază în lungul conductoarelor. Domeniul D>> aparține opticii geometrice.

Caracteristici ale domeniului microundelor

1. Capacitatea de transmisie

Utilizarea intensă a microundelor, în radiocomunicațiile moderne, a fost determinată, în bună măsură, de nevoia de a mări necontenit numărul legaturilor radio, numărul benzilor de frecvență necesare posturilor de radiodifuziune și televiziune, cât și numărul benzilor de frecvență necesare altor servicii radio.

Cu toată grija pentru amplasarea corectă a stațiilor, astfel încât influența lor reciprocă (supărătoare) să fie nulă sau minimă, gamele de unde medii, lungi, scurte și ultrascurte sunt cu totul insuficiente pentru a a a asigura numărul legăturilor radio necesare în prezent.

În domeniul microundelor există posibilitatea utilizării unui mare număr de legături radio, datorită valorii foarte mari a frecvenței purtătoare, în raport cu benzile de frecvență necesare. Această posibilitate reprezintă unul din factorii ce au determinat dezvoltarea tehnicii microundelor.

Introducerea modulației de frecvență în radiodifuziune (ultrascurte) și dezvoltarea televiziunii au contribuit la creșterea interesului pentru tehnica microundelor.

În cazul televiziunii, datorită analizei punct cu punct a imaginii si transmisiei a 25 de imagini pe secundă, banda de frecvența necesară transmisiei este de 6 MHz. Frecvențele purtătoare trebuie să fie mari, de ordinul zecilor sau sutelor de megaherți, adică sunt necesare unde metrice sau chiar mai scurte.

Utilizarea modulației în impulsuri și a sistemelor care transmit simultan mai multe canale, impun, de asemenea, benzi de frecvență foarte largi.

Sistemele de comunicație în microunde pot asigura benzi de frecvență foarte mari.

2. Condițiile de propagare și radiație

La lungimi de undă mici, undelor radio li se aplică legile opticii geometrice,adică microundele se reflectă și se refractă.

Posibilitatea concentrării microundelor în fascicule înguste, cu ajutorul unor suprafețe reflectate, și propagarea în linie dreaptă sunt utilizate în sistemele de radiorelee și radiolocație.

Întrucât antenele au dimensiunile comparabile cu lungimea de undă la care lucrează, antenele de microunde au dimensiuni reduse.

Circuite pentru microunde

Creșterea frecvenței influențează radical comportarea circuitelor electrice, a căror structură trebuie modificată spre a satisface noile condiții de lucru.

Pentru exemplificare, se consideră un circuit serie L,C (fig. 1).

Fig. 1 Circuit serie L,C

La frecvențe mari inductanța L și condensatorul C au valori necesare mici. Valoarea minimă a acestora se obține când bobina devine un fir conductor cu o anumită inductivitate și capacitate pe unitatea de lungime, în funcție de diametrul conductorului și distanța față de masă (fig. 2.)

Fig. 2 Conductor cu inductivitate și

capacitatea fată de masă, parametrii distribuiți.

În baza teoremelor imaginilor din electrotehnică [TA], se obține linia bifilară echivalentă conductorului paralel cu suprafața pământului (fig. 3).

Fig. 3 Linia bifilară și circuitul echivalen.

Astfel de la circuitul serie cu constante concentrate L,C, se trece la linia bifilară, circuit cu parametrii distribuiți.

Dacă frecvența crește în continuare, apare un efect nou, legat de valoarea raportului dintre lungimea de undă și distanța dintre conductoare, d. Când acest raprt are valoare mică, puterea radiată de linia bifilară este neglijabilă. În adevăr, cei doi curenți egali și de sens opus, ce parcurg conductoarele, produc, la distanță, două câmpuri egale și opuse, întrucât defazajul datorat distanței între conductoare este neglijabil. Defazajul are valoare 0d, unde 0 este constanta de defazare în spațiul liber. Întucât . Cum raportul este foarte mic, defazajul este neglijabil (dacă d=5cm, 0=5m, 0d=3,6o) (fig. 4).

Fig. 4 Anularea câmpului radiat

de linia bifilară, în cazul d<<

Dacă frecvența crește, distanța între conductoare, d, devine comparabilă cu lungimea de undă 0 și defazajul între câmpurile radiate de conductoare devine important (fig. 5)

Fig. 5 Câmpul radiat de linia bifilară

în cazul d ≈ devine important.

În acest caz, linia de transmisiune nu-și îndeplinește decât parțial rolul de a ghida energia electromagnetică de la generator la sarcină, întruât energia este radiată, iar linia funcționează și ca antenă.

Radiația energiei electromagnetice poate fi eliminată dacă se ecranează conductoarele, obținându-se astfel cablul coaxial bifilar; și mai simplu este cablul monofilar, care provine din linia bifilară, în care unul din conductoare a devenit ecran cilindric (fig 6, a și b).

Fig. 6 Cablu coaxial: a – coaxial; b – monofilar

Întrucât la frecvențe mari, în gama gigaherților, pierderile și deci constanta de atenuare [dB/Km] cresc foarte mult și sunt proporționale cu ariile interne ale conductoarelor, reducerea pierderilor se poate realiza prin micșorerea acestor arii, prin eliminarea, de exemplu, a conductorului cilindric central. Se ajunge, astfel, la unul din tipurile de ghid uniform, ghidul circular (fig. 7).

Fig. 7 Ghidul de undă de secțiune circulară

Proprietăți generale

1. Liniaritate

Circuitele pasive, ghidurile de undă, rezonatoarele electromagnetice, jonctiunile, elementele și dispozitivele de circuit prezentate în lucrare sunt liniare.

Relația dintre mărimile cauză si efect este exprimată cu ajutorul unei ecuații diferențiale liniare. Sistemele liniare satisfac principiul suprapunerii efectelor. Când cauzele x1 și x2, produc într-un sistem, respectiv, efectele y1 și y2, atunci cauza , unde A1 și A2 sunt constante arbitrare, va produce, în același sistem, efectul sau suma cauzelor are drept efect suma efectelor parțiale.

Proprietatea de liniaritate va fi folosită la definirea modurilor de propagare, cât și în cazul teoriei circuitelor.

Circuitele active sunt aproximativ liniare (amplificatoarele cu tranzistoare) sau neliniare (amplificatoarele parametrice și oscilatoarele cu rezistențe negative).

2. Reciprocitate

Teorema reciprocității constată că înlocuirea unui generator dintr-o latură a rețelei, cu un ampermetru, din altă latură a rețelei lasă valoarea curentului neschimbată.

Cirucuitele reciproce pentru care impedanțele Zjk=Zkj au matricele [Z] și [S] simetrice, adică egale cu matricea transpusă.

Proprietatea de reciprocitate conduce la simplificarea analizei circuitelor. Circuitele pasive prezentate în lucrare sunt, cu excepția celor cu ferită, reciproce.

Amplificatoarele cu tranzistoare și amplificatoarele parametrice sunt nereciproce.

3. Simetrie

Circuitele de microunde posedă, într-un mare număr de cazuri, proprietăți de simetrie, care conduc la circuite echivalente simplificate.

Conectarea unui numarul oarecare de ghiduri identice într-un modd ce asigură ansamblului simetrie geometrică poate conduce la circuite cu proprietăți ce simetrie electrică.

Simetria geometrică și simetria electrică permit analiza simplificată a circuitelor complexe.

4. Dualitate

Ecuațiile de evoluție ale lui Maxwell, pentru medii liniare, izotrope și omogene, sunt duale, în sensul că pot fi deduse una din cealaltă, dacă se face transformarea EH și .

Această proprietate se extinde în cazul teoriei circuitelor. Dualitatea dintre [U], [I], [Z] și [I], [Y], [U], din teoria rețelelor electrice liniare, este o consecință a dualității ecuațiilor lui Maxwell.

5. Disipație

Circuitele de microunde au, în general, pierderi foarte reduse, încât majoritatea pot fi considerate practic, fără pierderi.

Ipoteza pereților perfect conductori este în general admisibiă, cu excepția liniilor de transmisiune de lungime mare și a circuitelor rezonante.

Caracterul pur reactiv al circuitelor fără pierderi conduce la simplificări importante, în special în teoria joncțiunilor și discontinuităților.

Tehnologia circuitelor pentru microunde în

diverse benzi de frecvență

Circuitele folosite in tehnica microundelor diferă între ele, construnciv și tehnologic, în funcție de subgame de frecvențe.

Astfel, în gama undelor metrice (frecvențele cele mai joase din domeniu), sunt utilizate liniile și cablurile coaxiale, în gama undelor centimetrice sunt folosite ghidurile metalice, în domeniul optic ghidurile dielectrice, (fibrele optice). Totodată, se aplică tot mai frecvent ghidurile plate, care au dimensiuni reduse și pot fi utilizate într-o gama largă de frecvențe. Ghidurile de undă metalice (tubulare) sunt folosite în benzi de frecvență relativ înguste. De exmplu, liniile de măsură, formate din ghiduri de undă dreptunghiulare, sunt specifice anumitor benzi și nu sunt compatibile între ele. Astfel, ghidurile pentru benzile S, =10cm (3 GHz), C, =4,5cm (6,67 GHz) și X, =3cm (10 GHz), pot fi utilizate numai în banda pentru care au fost construite și sunt neinterșanjabile, cu toate că principiile de lucru sunt similare.

Domenii de aplicație a microundelor

Radiorelee. Stabilitatea legăturilor radio, cu ajutorul unui fascicol îngust de unde electromagnetice (cablu herțian), de la punct la punct, în vizibilitate directă și cu retranslație pe tronsoane succesive, a fost studiată și s-a dezvoltat odată cu tehnica microundelor.

Instalațiile de radioreleu lucrează pe frecvențe cuprinse între 1,7 – 2,3 GHz, 3,6 – 4,2 GHz, 5,85 – 8,5 GHz, precum și la 12 GHz și 18 GHz.

În instalațiile de radioreleu, circuitele active și pasive de la intrarea amplificatorului de frecvență intermediară și până la antenă, inclusiv, reprezintă circuite de microunde. În unele stații de releu intermediare (de retranslație), toate etajele lucrează în domeniul microundelor.

Sateliții. Comunicațiile radio cu ajutorul sateliților artificiali se realizează în domeniul microundelor, întrucât ionosfera este transparentă pentru aceasta. Se obține, totodată, avantajul unei bune directivități a antenelor. La bordul sateliților și în stațiile de sol, o mare parte e instalațiilor este relizată cu circuite de microunde: antena, ghidul (feeder-ul) de la antenă la etajul final, diplexoarele, filtrele, amplificatorul parametric, schimbătorul de frecvență, izolatoarele și circulatoarele cu ferită,ile de lucru sunt similare.

Domenii de aplicație a microundelor

Radiorelee. Stabilitatea legăturilor radio, cu ajutorul unui fascicol îngust de unde electromagnetice (cablu herțian), de la punct la punct, în vizibilitate directă și cu retranslație pe tronsoane succesive, a fost studiată și s-a dezvoltat odată cu tehnica microundelor.

Instalațiile de radioreleu lucrează pe frecvențe cuprinse între 1,7 – 2,3 GHz, 3,6 – 4,2 GHz, 5,85 – 8,5 GHz, precum și la 12 GHz și 18 GHz.

În instalațiile de radioreleu, circuitele active și pasive de la intrarea amplificatorului de frecvență intermediară și până la antenă, inclusiv, reprezintă circuite de microunde. În unele stații de releu intermediare (de retranslație), toate etajele lucrează în domeniul microundelor.

Sateliții. Comunicațiile radio cu ajutorul sateliților artificiali se realizează în domeniul microundelor, întrucât ionosfera este transparentă pentru aceasta. Se obține, totodată, avantajul unei bune directivități a antenelor. La bordul sateliților și în stațiile de sol, o mare parte e instalațiilor este relizată cu circuite de microunde: antena, ghidul (feeder-ul) de la antenă la etajul final, diplexoarele, filtrele, amplificatorul parametric, schimbătorul de frecvență, izolatoarele și circulatoarele cu ferită, amplificatorul de putere.

Comunicații la mare distanță. În ghidurile dreptunghiulare folosite în radiorelee, de exemplu în radioreleul TD2, la 4 GHz, atenuarea este de ordinul a 30 dB/Km. Astfel de ghiduri nu pot fi folosite pentru transmisia la distanțe mari. Ghidul cilindric poate fi folosit ca linie de comunicație la mare distanță, întrucât în cazul modului de propagare TE01 (sau undei H01), constanta de propagare scade cu frecvența. Au fost realizate astfel de linii de comunicație cu capacitate 200 000 convorbiri telefonice, la frecvențe cuprinse între 10 și 100 GHz.

Capacități foarte mari de transmisie au fibrele optice. Sistemele de comunicații pe fibre optice s-au dezvoltat foarte mult, în ultimii ani.

Fibra optică este un ghid dielectric cilindric, neuniform în secțiunea transversală, având un indice de refracție variabil cu raza.

Radiolocație. În instalațiile de radiolocație, emițătorul, linia de transmisiune între etajul final și antenă, circuitele de intrare până la amplificatorul de frecvență intermediară sunt constituite din circuite active și pasive pentru microunde.

Etajul emițător este realizat cu tuburi electronice de mare putere pentru microunde: magnetronul, tubul cu undă progresivă sau clistronul ccu mai multe cavități, cu puteri în impuls de ordinul megawaților.

Oscilatorul local al receptorului superheterodină este, în modelele mai vechi, clistronul reflex, cu puteri utile de ordinul zecilor de miliwați, sau în instalațiile moderne, oscilatorul cu diodă Gunn sau IMPATT.

La intrarea receptoarelor se utilizează amplificatoarele cu zgomot redus (amplificatorul parametric cu varactor).

Între antenă și etajele de intrare se folosesc sisteme de diplexare și filtraj, cuploare direcționale și circuite nereciproce cu ferită (izolatorul, cicrulatorul, giratorul).

Radionavigație. Circuitele pasive și active pentru microunde reprezintă părți constitutive ale aparaturii de radionavigație, radiotelemetrie, aterizare instrumentală cu microunde (MILS, Microwave Instrumental Landing System), ale radiofarurilor, radioaltimetrelor etc.

Majoritatea acestor instalații lucrează în regim de radiație continuă. Parametrii determinați sunt înălțimea, distanța până la aeroport, viteza avionului (măsurată uzual cu ajutorul fenomenului Doppler).

Aparatura utilizată este atât aparatură de bord, cât și aparatură de sol.

Radioastronomie. Descoperirea radiaței electromagnetică a corpurilor cerești, în domeniul de frecvență cuprins între 20 MHz și 200 GHz a condus la construirea și perfecționarea aparatajului de radioastronomie.

Radiația solară, a lunii, a altor surse radiocerești este studiată pe diverse lungimi de undă: 3 cm, 21cm, 4,3 mm cu ajutorul radiotelescoapelor.

Nivelul semnalelor care sosesc de la radiosursele cerești este redus și are caracter aleatori. Recepția are loc în prezența zgomotului și de multe ori se pune problema aplicării metodelor de extragere a semnalului din zgomot.

Industrie. În industrie tehnica microundelor este aplicată pe scară tot mai largă, pentru incălziri cu ajutorul cuptoarelor de microunde. Realizate cu magnetron cu purtatoare continuă, la puteri de 600 W, 2,5 kW, 20 kW, la frecvențe standard de 0,9 GHz sau 2,45 GHz, aceste cuptoare au gasit aplicație în metalurgie, în industria lemnului, în industria alimentară, în cinematografie (uscarea peliculei), în industria textilă etc.

Altă direcție de aplicație a microundelor e reperezentată de aparatura de măsurare a dimensiunilor, vitezelor, proprietăților de material. Au fost realizate vitezometre pentru circulație sau pentru turnarea în flux continuu, umidimetre, etc.

Tehnica microundelor este folosită, de asemenea, în aparatura de automatizare și control, în instalații de pază și alarmare, etc.

Biologie și medicină. Masurarea conductivității și capacității electrice a țesuturilor, aconstantei dielectrice a sângelui, cu ajutorul microundelor, permite aprecierea stării funcționale a țesuturilor.

Efectul câmpului electromagnetic intens de microunde asupra organismului uman a fost și este studiat, pentru a se stabili dozele de expunere periculoase. Au fost analizate, în special, efectul acestor expuneri asupra ochiului. Limita admisă a fluxului de putere de microunde e de ordinul 0,01 W/cm2.

Fizică. Dintre circuitele pasive, cavitățile rezonante și ghidurile periodice (liniile de întârziere pentru microunde), iar dintre circuitele active, clistronul liniar cu mai multe cavități sunt elemente componente ale acceleratoarelor liniare de particule.

Acceleratoarele sunt cu o cavitate, cu mai multe cavități sau cu undă progresivă. În acceleratorul de particule, viteza de fază a câmpului electromagnetic (componenta axială E2) e comparabilă cu viteza electronului datorită faptului că structura periodică de microunde reduce viteza de fază a câmpului. Câmpurile de accelerere se realizează cu magnetron sau clistron cu mai multe cavități, în regim de impulsuri. Linia de accelerare este un ghid cilindric diafragmat. Amplificatoarele cuantice utilizează cavități rezonante, cuploare direcționale, filtre, atenuatoare și alte elemente ale tehnicii microundelor.

CAP. I

ÎNCĂLZIREA MATERIALELOR DIELECTRICE

I.1. Principiul încălzirii dielectrice

Orice material izolant se polarizează sub efectul câmpului electric, ceea ce se traduce printr-o separare de sarcină electrică. Dacă acest câmp este alaternativ, sarcina urmărește variațiile acestuia și se orienteză la fiecare modificare a alternanțe. Cu excepția vidului, această orientare are loc în orice dielectric și ea este însoțită de pierderi.

Polarizarea dielectricilor. Polarizrea unui dielectric poate avea loc la nivelul atomului sau al amoleculelor. Există cel puțin patru mecanisme de polarizare care devin semnificative pentru generarea de caldură, la anumite frecvențe, și anume:

polarizarea electronică: distorsionarea orbitelor electronilor datorată aplicării câmpului electromagnetic; apare la frecvențe ale radiațiilor din domeniul vizibil și ultraviolet;

polarizzarea atomică (sau ionică): distorsionarea atomilor din cadrul moleculelor datorită câmpului electromagnetic aplicat; apare în cazul frecvențelor din infraroșu;

polarizerea de orientare: orientarea, prina aplicarea câmpului electromagnetic, a moleculelor deja polarizate permanent; datorită legăturilor lor chimice (de exemplu, moleculele de apă); este semnificativă la frecvențe radio și la hiperfrecvență (fig. 8,a);

Fig. 8 Polarizarea dielectricilor:

a – polarizarea sarcinilor spațiale; b – polarizare de orientare.

polarizarea sarcinii spațiale: acumularea de sarcină la nivelul discontinuităților materialului, datorată migrării unor purtători de sarcină sub influența câmpului electromagnetic aplicat; nu este semnificativă la hiperfrecvență, dar este deosebit de accentuată la frecvențe radio și pentru materiale prezentând o anumită conductibilitate (fig. 8,b).

La variația foarte rapidă a câmpului alternativ, mișcarea de orientare a moleculelor și a atomilor în sensul câmpului conduce la producerea căldurii în interiorul materialului.

I.2. Elemente caracteristice prin histerezis dielectric

I.2.1. Puterea disipată în dielectric

La introducerea unui dielectric omogen și izotrop într-un câmp electric uniform de intensitate E, acestuia îi va corespunde o inducție electrică D:

unde: este permitivitatea materialului,

în care: este permitivitatea dielectrică a vidului;

este permitivitatea relativă a materialului ().

În cazul în care câmpul electric aplicat – E – este uniform, adică este creat între două plăci plan paralele aflate la distanța d (fig. 9, a) și sub tensiunea U, atunci:

Fig. 9 Schema de principiu a încălzirii dielectrice

În zona în care se aplică câmpul electric, fluxul electric va fi:

,

D fiind inducția electrică.

În prezența acestui flux va apare polarizarea materialului dielectric, ai cărui dipoli se orientează în sensul câmpului electric, asemănător unui ac magnetic aflat în câmp magnetic.

Sarcina totală Q va fi :

unde C este capacitatea condensatorului plan:

În cazul în care câmpul electric care se aplică dielectricului este alternativ, dipolii sunt obligați să-și schimbe polaritatea la fiecare alternanță.

În cazul unui dielectric perfect, cum ar fi vidul, curentul din circuitul exterior este dat de relația clasică:

.

Dacă tensiunea aplicată este :

atunci:

Curentul va fi înaintea tensiunii cu /2, intensitatea sa fiind I=CU.

În cazul dielectricilor reali, polarizarea își schimbă sensul odată cu sensul câmpului electric, dar cu o oarecare întârziere datorată “vâscozității” dielectrice, numită histerezis electric, prin analogie cu fenomenul magnetic.

Permitivitatea dielectrică poate fi considerată ca o mărime complexă:

– partea reală exprimă influența dielectricului asupra capacității;

partea imaginară corespunde pierderilor datorate văscozității dielectrice.

Astfel, unghiul de pierderi poate fi caracterizat prin :

Curentul electric, numit curent de deplasare, este defazat cu unghiul față de unghiul său de defazaj normal de (fig. 9, b) și puterea activăce se dezvoltă în condensator este :

Ținând seama de expresia capacității și de relația: se obține:

Densitatea de volum a puterii va fi :

,

și, ținănd seama că este practic egal cu :

Produsul este numit factorul de pierderi.

I.2.2. Influența diferiților parametrii asupra puterii dezvoltate în dilectric

Densitatea de putere dezvoltată în materialul de încălzit crește proporțional cu frecvența. La frecvențe ridicate, însă, sursele de putere sunt greu de realizat.

Densitatea de putere poate fi crescută și prin mărirea câmpului electric, de care depinde cu puterea a doua. Creșterea tensiunii crește însă riscul străpungerii. Tensiunea de străpungere a aerului uscat este de 3 kV/mm. De aceea aceste echipamente lucrează la valori ale câmpului electric de 80 – 300 V/mm, mai frecvent între 8 – 60 V/mm. Tensiunea dintre electrozi depășește rar 15000 V, pentru a se evita descărcările incomplete.

Factorii și nu reprezintă niște constante, ci depind de frecvență, temperatură și umiditate și diferă mult de la un material la altul.

Dacă factorul de pierderi este mic, încălzirea se face lent și va fi dificil să se obțină temperatura dorită. Dacă factorul de pierderi este foarte ridicat, ia naștere un curent de fugă și utilizarea tensiunilor înalte nu mai este posibilă; pentru ca încălzirea prin histerezis dielectric să fie utilizată cu succes trebuie ca:

0,01 < < 1.

Dacă factorul de pierderi crește cu temperatura va avea loc o concentrare a densității de putere în locurile cele mai calde, ceea ce riscă să poducă o încălzire locală. În acest caz trebuie fie să se reducă densitatea de putere, fie să se facă o injecție de putere în impulsuri, astfel încât să poată avea loc o egalizare a temperaturii prin conducție.

Parametrii de care depinde cel mai mult factorul de pierderi sunt: conținutul de apă, frecvența câmpului și temperatura.

Conținutul de apă este foarte important, deoarece apa este un izolant aparte, care, printre alte proprietăți remarcabile, o are și pe aceea că factorul de pierderi este foarte ridicat. Factorul de pierderi în înaltă frecvență variază de la valoare 3 la 20oC la valoarea 6, pentru 100oC; aceasta se datorează în bună parte valorii deosebit de ridicate a permitivității relative, care este de 80 la 20oC (tabelul 2 – valori valabile la 3 MHz)

Tabelul 2

Toate materialele dielectrice supuse în general uscării au factorul de pierderi mult inferior apei. Celuloza are un factor de pierderi de la 50oC, adică de 200 de ori mai mic decât al apei. Aceasta înseamnă că, în câmp electric uniform de înaltă frecvență, apa se încălzește de 200 de ori mai repede decât un produs uscat pe bază de celuloză, cum ar fi hârtia sau bumbacul.

Încălzirea acționează uniform în întreaga masă a produsului, dar într-un mod foarte selectiv; energia calorică va fi cu atât mai mare, cu cât umiditatea va fi mai ridicată.

Factorul de pierderi crește ușor cu frecvența; pentru a obține o densitate de volum suficient de ridicată, frecvența câmpului electric trebuie să fie mai mare de 1MHz și, în acest caz, factorul de putere al dielectricului de încălzit este aproape independent de frecvență. De altfel, cum valoarea sa este destul de greu de definit în apă sau solvent ea este adesea considerată constantă.

Tabelul 3 prezintă constanta dielectrică și factorul de pierderi pentru cataeva materiale dielectrice.

Factorul de pierderi al apei scade ușor când frecvența crește la 100 MHz, ca apoi să crească.

Temperatura are o influență variabilă, în funcție de material. Unghiul de pierderi crește cu temperatura, în timp ce permitivitatea scade. Majoritatea matrialelor încălzite pentru necesități industriale prezintă un factor de pierderi crescător cu temperatura.

Factorul de pierderi al apei crește cu temperatura până la 100 MHz, ca apoi să scadă.

I.2.3. Ecuația încălzirii

Energia acumulată de dielectric –W- în cursul încălzirii este :

unde m este masa dielectricului;

c este căldura sa specifică;

este variația sa de temperatură.

Raportând această relație la durata încălzirii t și la volumul V al dielectricului, se obține o expresie în termeni calorici ai puterii specifice de volum efectiv, folosită pentru încălzirea dielectricului:

unde este masa specifică a dielectricului.

Considerând că întreaga căldură dezvoltată în dielectric servește pentru ridicarea temperaturii lui, cele două expresii ale puterii specifice de volum, expresiile:

se pot egala , rezultând:

undef este frecvența câmpului alternativ aplicat.

Relația se numește ecuația de încălzire a dielectricului.

Pentru un dielectric dat, caracterizat prin parametrii și c, mărirea temperaturii se va obține prin mărirea lui f, E și t. Mărirea frecvenței câmpului electric este limitată de apariția fenomenelor de propagare de-a lungul armăturilor condensatorului alcătuit de dielectricul aflat între cele două armături. Dacă fenomenul de propagare apare, încălzirea dielectricului va fi neuniformă.

Mărirea intensității câmpului electric este limitată de pericolul străpungerii dielectricului.

Mărirea duratei de încălzire nu este convenabilă, din cauza scăderii productivității pe de o parte, iar pe de altă parte, pierderile de căldură – neluate în considerare la stabilirea relației:

cresc odată cu creșterea duratei încălzirii, rezultând o scădere a randamentului încălzirii. După trecerea unui anumit timp, are loc stabilirea echilibrului termic în dielectricul încălzit, situație în care puterea utilă dezvoltată este egală cu puterea pierdută, ddeci ridicarea temperaturii dielectricului încetează.

I.3. Încălzirea dielectricilor stratificați

a. Dielectrici în serie. Numeroase materiale sunt încălzite între două armături plane, asupra cărora se exercită o anumită presiune; este cazul lipirii plăcilor de lemn sau a sudării materialelor plastice. Pentru a limita riscul de străpungere a produsului la marginile acestuia ori în lungul conexiunilor sau pentru a realiza o repartiție mai bună a presiunii exercitate, se dispune adesea o folie dintr-un alt material foarte bun izolant.

La încălzirea cu deplasare a dielectricului, există prevăzut un spațiu de aer între produsul care se deplasează și electrozii ficși. Astfel, aproape toate aplicațiile industriale fac apel la dispunerea mai multor dielectrici în serie.

a1. Fie dispunerea mai multor dielectrici ca în figura 10.

Pentru determinarea tensiunii pe stratul k, într-o primă aproximație, nu se va ține seama de rezistențele de pierderi, care la frecvențele de lucru sunt mult mai mari decât reactanțele condensatoarelor ideale conectate în paralel cu ele. Tensiunea Uk va fi :

iar curentul absorbit:

Ce fiind capacitatea echivalentă a condensatoarelor ideale conectate în serie și având valoarea:

Fig. 10 Încălzirea dielectricilorstratificați:

a – dispunerea serie a straturilor de dielectric;

b – schema electrică echivalentă

Rezultă:

Intensitatea câmpului electric în straatul k va fi:

Puterea specifică de volum în stratul k va fi:

Se observă că încălzirea maximăare loc în acel strat în care raportul este maxim.

a2. În azul particular a două straturi de dielectric (fig. 11), situație frecvent întâlnită, conform legilor electrostaticii:

Fig. 11 Cazul particular a două straturi de dielectric

,

și:

.

Deci, intensitățile câmpulrilor electrice se distribuie invers proporțional cu permitivitățile straturilor.

În cazul în care primul strat ar fi constituit de aer, , vom avea:

.

Câmpul electric în aer va fi de ori mai mare decât în dielectricul încălzit. Aerul are o bună rigiditate dielectric, de cca. 3 kV în câmp uniform, dar declanșarea unor ionizări ar conduce la apariția unor efluvii la câmpuri net inferioare câmpului disruptiv (de exemplu, la 1kV/mm)

Tensiunea aplicată U se va scrie ca:

Cu ajutorul relației

se obține:

,

de unde permitivitatea dielectrică echivalentă a ansamblului:

Puterea activă a ansamblului este suma puterilor active individuale:

,

sau:

’

și ținând seama de relația

rezultă:

Dacă dielectricul l este aer (), iar dielectricul 2 are permitivitatea relativă , vom avea:

Raportul dintre câmpul E2 aplicat dielectricului și câmpul E20 care s-ar obține în absența dielectricului, pentru aceeași tensiune U aplicată electrozilor:

Câmpul aplicat dielectriculuie redus, ceea ce permite modificarea puterii disipate în material, prin modificarea grosimii stratului de aer, adică a distanței dintre electrozi. Puterea dezvoltată în dielectricul considerat în unitatea de volum:

La o frecvența dată, puterea maximă care se poate dezvolta în dielectric, corespunzător cazului limită, în care intensitatea câmpului în aer atinge nivelul tensiunii de străpungere al acestuia () are valoarea:

Atingerea acestei valori limită nu poate avea loc, deoarece în acest caz stratul de aer s-ar străpunge. Mărirea în continuare a puterii specifice peste această valoare limită nu este posibilă decât prin mărirea frecvenței de lucru, dar în acest caz în lungul plăcilor va apărea fenomenul de propagare și deci, încălzirea neuniformă a dielectricului.

b. Dielectrici în paralel. În cazul în care straturile dielectricului sunt perpendiculare pe plăcile condensatorului (fig. 12), intensitatea câmpului este aceeași în fiecare strat:

Fig. 12 Cazul a două straturi de dielectric dispuse în paralel.

Puterea dezvoltată în stratul k va fi:

Dezvoltarea maximă de căldură are loc în acel strat în care produsul este maxim.

I.3.1 Neuniformități în încălzirea dielectrică

a. Neuniformități datorate formei și așezării dielectricului. Uneori piesele de încălzit nu au piesele paralele. În figura 13 se consideră o pisă de forma unei prisme așezată între plăcile unui condensator plan.

Fig. 13 Încălzire neuniformă a dielectricilor:

a,b – dispunerea paralelă a dielectricilor;

c,d – dispunerea electrozilor pe fețele pieselor.

Fără a determina exact modul de distribuție a câmpului în piesă, se poate aprecia în mod aproximativ variația puterii specifice dezvoltate în piesa de-a lungul plăcilor, în direcția în care se modifică grosimea pieselor.

Dacă variația grosimii dielectricului este lentă, diversele porțiuni ale acestuia pot fi considerate ca niște condensatoare plane. În acest caz se poate aplica relația:

Dacă dielectricul și tensiunea sunt date, relația de mai sus se scrie ca:

K fiind o constantă.

Maximul lui Pvk apare pentru minimul numitorului relației de mai sus. Notând pe acesta cu N, într-un punct în care dielectricul este de grosime x rezultă:

Valorile extreme ale lui x sunt d0 și d și lor le corespund următoarele valori ale numitorului:

Exceptând cazul care nu se întâlnește în practică, N’>N”, încălzirea va fi mai puternică acolo unde grosimea este mai mare rezultând o distribuție a temperaturii ca în fig. 13,b.

Puterea specifică de volum de-a lungul plăcilor așezate ca în fig. 13,c va fi:

având minimul la x=d0.

O comparație între distribuția temperaturii în cele două cazuri de așezare aplăcilor condensatorului sugerează ideea de a alege o poziție intermediară a armăturii superioare față de pozițiile a și c. Dacă unghiul satisface relația (fig. 14,a):

Fig. 14 Modul de dispunere a electrozilor pentru obținerea unei încălziri uniforme:

a – dielectrici cu secțiune dreptungiulară;

b – dielectrici cu secțiune circulară.

se obține o încălzire practic uniformă.

b. Neuniformitatea încălzirii dielectricilor datorită fenomenelor de prapagare. Pentru un dielectric cilindric, omogen și izotrop, așezat între plăcile unui condensator plan (fig. 15,a) alimentat cu o tensiune sinusoidală, ecuația diferențială a distribuției câmpului, scrisăîn coordonate cilindrice, în regim permanent:

Fig. 15 Neuniformitatea încălzirii

datorită fenomenelor de propagare:

a – piesă cilindrică; b – distribuția câmpului într-o secțiune radială

pentru dielectrici cu conductibilitate redusă:

unde c este viteza de propagare în vid a energiei electromagnetice,

Știind că f=c/0, rezultă:

Ecuația diferențială este de tip Bessel de variabilă reală având soluția:

unde: J0 – funcția Bessel de speța 1 și ordin 0;

N0 – funcția Bessel de speța 2 și ordin 0 (funcția Neumann);

C1, C2 – constante de integare.

Se observă că pe axa piesei (r=0) câmpul are valoarea finită E=E0, în timp ce . Rezultă C2=0. Deoarece J0=1, rezultă C1=E0.

Distribuția în spațiu a câmpului va fi:

sau, în unități relative:

Fig. 15,b prezintă variația câmpului electric relativ în funcție de variabila Odată cu creșterea argumentului au loc anulări succesiv ale funcției Bessel, însoțită de modificări ale fazei oscilațiilor cu 180oC. Primul amxim al lui J0 este egal cu unitatea, celelalte maxime sunt din ce în ce mai mici și tind la 0.

În practică, pentru a avea uniformitatea încălzirii suficient de bună se impune ca:

căreia, coform fig. 15, b îi va corespunde:

deci pentru lungimea de undă minimă în vid a tensiunii de alimentare a plăcilor, dacă diametrul cilindrului este 2a, rezultă:

Variația câmpului electric relativ pentru diferite frecvențe ale tensiunii de lucru este prezentată în fig. 16

Fig. 16 Distribuția câmpului electric în lungul razei în funcție de frecvența tensiunii de alimentare.

Se observă că, pentru ca uniformitatea câmpului să fie acceptabilă, frecvența de lucru trebuie să fie mai mică de 50 MHz. Dacă o piesă de aceleași dimensiuni are o permeabilitate relativ mai mare, frecvența maximă de lucru trebuie să fie mai mică.

În practică, mai multe piese au o formă paralelipipedică. Dacă condensatorul de lucru are o lungime mai mare în raport cu lățimea sa, de la punctele de alimentare spre marginile sale se poate considera o linie de transmisie în gol. De-a lungul acestei linii apar unde staționare, producându-se noduri și ventre (fig. 17,a).

Fig. 17 Repartiția tensiunii și soluții de îmbunătățire a distribuției în cazul unei plăci plane:

a – repartiția tensiunii prin propagarea undelor; b – utilizarea unor inductanțe variabile; c – alimentarea electrozilor în trei puncte de la aceleași surse.

Undele staționare se atenuează spre marginile condensatorului.

Tensiunea într-un punct al liniei este (fig. 17,b):

Constanta de peopagare este :

iar Z0 este impedanța caracteristică a liniei.

Linia fiind în gol, I2=0 și:

Admițând o neuniformitate a câmpului pentru lungimea de undă 0 rezultă:

l fiind distanța de la punctul de alimentare a plăcilor până la marginea cea mai apropiată.

Există situații în care dimensiunile dielectricului de încălzit sunt mari, iar puteri specifice de volum acceptabile se pot obține numai cu frecvențe ridicate. Din punct de vedere al puterii transmise, pentru o distanță fața de punctul de aplicare a tensiunii de 1/8 din lungimea de undă, are loc o diminuare nu este decât de 15% (la o distanță de un sfert de lungime de undă, teoretic nu mai există încălzire).

În acest caz se recurge la alimentarea în mai multe puncte ale condensatorului de lucru. Lungimile liniilor de alimentare a plăcilor trebuie ă fie egale, altminteri pot rezulta neuniformități mari. Fig. 17,c prezintă pozițiile optime ale punctelor de alimentare și modul de distribuție a tensiunii de-a lungul plăcilor, în cazul în care alimentarea condensatorului se face în trei puncte.

c. Efectul pelicular. Adâncimea de pătrundere. La încălzirea de înaltă frecvență și hiperfrecvență câmpul electric pătrunde în materialul de încălzit, cu atât mai mult cu cât frecvența crește, așa cum se petrec lucrurile la pătrunderea câmpului magnetic la încălzirea prin inducție.

Adâncimea de pătrundere se definește ca adâncimea pentru care densitatea de puterese reduce în interiorul materialului la 1/este din valoarea de la suprafața acestuia, ceea ce corespunde unei valori de 37%.

Fie Ex, Px câmpul electric, respectiv densitatea de putere la distanța x de suprafață, și E0, P0 valorile la suprafață (fig. 18).

Fig. 18 Adâncimea de pătrundere dielectrică.

Constanta de atenuare depinde de proprietățile dielectricului și de lungimea de undă a radiației incidente 0:

Conform definiției de mai suss a adâncimii de pătrundere, acesta va fi egală cu 1/2, adică:

În cea mai mare parte a cazurilor este mai mică și chiar mult mai mică decât 1. Expresia lui se simplifică și devine:

În încălzirea dielectrică de înaltă frecvență adâncimea de pătrundere este, în general, mai mare de 1m și poate atinge câțiva zeci de metri. Noțiunea de adâncime de pătrundere are pentru cea mai mare parte a aplicațiilor, un interes redus și degajarea de căldură poate fi considerată omogenă în întregul dielectric.

În încălzirea dielectrică de hiperfrecvență (microunde) acestă noțiune capătă o importanță deosebită.

În cazul apei, datorită unei valori foarte mici pentru , adâncimea de pătrundere este deosebit de redusă: 12 mm la 15oC și 2450 MHz, în timp ce pentru gheață este de 100 ori mai ridicată.

I.4. Echipament de încălzire dielectrică de înaltă și hiperfrecvență

Materialul dielectric de încălzit consumă energie reactivă întotdeauna mai mare decât cea activă care produce încălzirea materialului. Aceasta energie reactivă este compensată prin inductanțe, recurgându-se la circuite mai mult sau mai puțin complexe, care utilizează proprietățile circuitelor oscilante.

În funcție de frecvențele utilizate, tehnicile acestor circuite oscilante variază de la circuite cu constante concentrate la frecvențele cele mai joase, până la cavitățile rezonante ale magnetroanelor la frecvențele cele mai mari.

I.4.1. Frecvențele alocate

Aplicațiile industriale ale încălzirii de înaltă frecvență au loc, cu rare excepții, la frecvențe cuprinse între 3 și 3000 MHz. Acest domeniu acoperă trei benzi:

înaltă frecvență IF (3 la 30 MHz);

foarte înaltă frecvență FIF (30 la 300 MHz);

ultra înaltă frecvență UIF (hiperfrecvență) (300 la 3000 MHz).

În IF instalațiile folosesc aceleași frecvențe ca și televiziunea. Deși concepția lor este foarte diferită, instalațiile industriale pot provoca radiații care să jeneze ceilalți utilizatori de înaltă frecvență. Comitetul Internațional de Studiu al Perturbațiilor prevede următoarele clase de instalații de IF:

Clasa A: instalații care verifiucă în puncte autorizate și care corespund unor norme foarte severe (câmp radiat la 50 mV/m la 30 m între 9 kHz și 30 MHz și de 50 mV/m la 10 m și 1000 MHz);

Clasa B: instalații care veraifică în puncte autorizate și care corespund unor norme mai puțin severe. Punerea în funcțiune a acestora necesită o autorizare specială;

Clasa C: instalații neverificabile în puncte autorizate și care nu intră în celelalte două clase. Acestea constituie marea majoritate a aparatelor industriale.

În UIF, frecvențele utilizate sunt de 2450 MHz și de 915 MHz.

I.4.2. Tehnologia de încălzire la IF

a. Circuitul oscilant. Generatoarele pentru încălzirea dielectrică de IF utilizează proprietățile circuitelor serie sau paralel.

În particular, este vorba de un circuit paralel care transformă energia la borne în energie de IF (fig. 19).

Fig. 19 Circuitul rezonant paralel.

Frecvența de rezonanța f0 este dată de relația:

iar factorul de supratensiune la rezonanță:

În jurul punctului de rezonanță admitanță se scrie:

Să remarcăm că:

și utilizând ecartul de frecvență:

se obține:

În vecinătatea frecvenței de rezonanță, impedanța variază cu atât mai mult cu cât factorul de supratensiune este mai ridicat. Se spune că circuitul este cu atât mai selectiv. Aceasta traduce de asemenea aptitudinea circuitului de a funcționa într-o plajă de frecvențe cu atât mai îngustă cu cât valoare lui Q este mai ridicată. Pentru a ameliora stabilitatea în frecvență se dorește utilizarea unor circuite cât mai selective, adică a unor circuite cu factor de supratensiune mari. În practică, Q nu depășește 100 în IF din motive de cost, dar și de randament, căc curentul reactiv crește cu Q, ceea ce majorează rapid pierderile.

Aceasta caracteristică a circuitelor oscilante se poate definii utilizând noțiunea de bandă de trecere ca fiind: banda de frecvența Δ0 în limitele căreia, la tensiune constantă, puterea este redusă cu 3 dB în raport cu valoarea de rezonanță.

Fig. 20 Banda de trecere a circuitului oscilant.

În punctele extreme ale benzii (fig. 20) A2B2 și A10 și B10 puterea este redusă la jumătate și:

adică, componentele activă și reactivă ale lui Z sunt egale și defazajul este de 45o:

Banda de trecere când coeficientul de supratensiune crește, adică un circui este cu atât mai selectiv cu cât banda de trecere este mai îngustă. Înlocuind Q0 prin expresia sa în funcție de C și R:

Produsul dintre banda de trecere și impedanța sa la rezonanță este constant pentru un circuit oscilant dat. Conform notațiilor din fig. 20:

Dacă sarcina crește, impedanța la rezonanță scade, banda se lărgește și, în consecință, derivata în frecvență a circuitului crește.

b. Generatoare de putere la IF. Generatoarele de putere de RF sunt circuite cu oscilații lebere: un circuit oscilant este cuplat la grila unei triode alimentată de la o sursă de tensiune continuă înaltă (fig. 21).

Fig. 21 Schema echivalentă a generatorului

de putere de radio frecvență.

Circuitul oscilant este alcătuit dintr-o inductanță în paralel cu un condensator. Unele generatoare folosesc pentru circuitul oscilant “cavității oscilante”.

Ieșirea din generator este cuplată la acest circuit oscilant printr-o inductanță (uneori o capacitate). Acest cuplaj, ca și sarcina conectată la generator, pot modifica ușor frecvența oscilatorului.

Dacă unui astfel de circuit i se aplică un impuls, acesta va oscila, dar oscilațiile se vor stinge întrucât energia impulsului va fi progresiv transferată sarcinii conectată le generator. Pentru susținerea acestor oscilații, circuitul oscilant trebuie să fie conectat la un întrerupător rapid care să transmită impulsuri în mod continuu. Acet lucru este realizat cu o triodă alimentată de la o sursă de înaltă tensiune continuă. În același timp, întrerupătorul este pilotat de circuitul oscilant. De aceeaa, sistemul este numit “autooscilator”.

În regim stabilizat, frecvența de funcționare se stabilizează în jurul frecvenței de rezonanță a circuitului oscilant. Un cuplaj de ieșire, analog tansformatorului, permite prelevarea puterii circuitului oscilant pentru a fi transmisă aplicatorului.

Puterea de ieșire maximă a unui astfel de generator este de 100 kW. Pentru obținerea unor puteri mai mari se foloses mai multe asemenea unități.Randamentul lor este de circa 60%, majoritatea pierderilor având loc în triodă.

Dacă ieșirea nu este adaptată, curentul grilei depășește valoarea limită și randamentul scade întrucât cresc pierderile în triodă. Are loc și o deteriorare rapidă a triodei. De aceea, generatoarele sunt echipate cu o protecție rapidă la supracurent a grilei.

Schema de ansamblu a unei astfel de instalații este dată în fig. 22

Fig. 22 Schema de ansamblu a unei instalații de înaltă frecvență.

c. Condensatoare utilizate. Condensatoare utilizate în instalații de înaltă și foarte înaltă frecvență se pot împărți în două categorii:

– cnodensatoare auxiliare, utilizate pentru legături (care lasă să treacă curentul de IF și blochează curentul continuu) și pentru declupaje sau filtraje; acestea sunt de obicei condensatoare ceramice monostrat cu valori între 10 și 5000 pF pentru tensiuni de lucru ridicate (10kV) sau condensatoare multistrat având capacități ami mari, dar de tensiuni mai scăzute;

condensatoare de putere, utilizate în circuite oscilante sau circuite de adaptare; acestea sunt condensatoare ceramice pentru frecvențe mai puțin ridicate (sub 20 MHz) sau condensatoare în aer.

La puteri ridicate de înaltă frecvență (peste 10 kW) tendința este de a se utiliza condensatoare sub vid.

d. Sistemul de electrozi. Sistemul de electrozi reprezintă partea cea mai însemnată a unei instalații industiale de încălzire de IF. El este definit de aplicațiaa propriu-zisă. Electrozii și produsul de încalzit sunt în general cuprinși într-un spațiu delimitat, ceea ce protejează operatorul contra tensiunii de IF aplicată și reduce pierderile. Întregul sistem este conuscut sub denumirea de “aplicator”.

Sistemele de aplicatori folosiți în IF sunt prezentate în fig. 23 și 24.

Fig. 23 Sisteme de aplicator în lungul benzii transportoare.

Fig. 24 Sisteme de aplicator de o parte și de alta a benzii transportoare.

e. Linii de transmisie. Acestea sunt utilizate pentru transmiterea energiei între sursa de curent și aplicator.

În înaltă frecvență liniile de transmisie sunt adesea coaxiale și d lungimi mai mici de un sfert de lungime de undă. La funcționarea în sarcină, consumul de energie reactivă, datorat inductanței lor este, în general, mai mare decât datorată capacității lor, ansamblul comportându-se ca o inductanță în serie. În consecință, dacă linia este foarte scurtă, aceasta se poate reprezenta ca o inductanță.

I.4.3. Tehnologia de hiperfrecvență (microunde – MO)

Principalele componente ale unui echipament cu microunde sunt generatorul și alimentarea sa, aplicatorii între care este introdus produsul de încălzit și ghidurile du undă care aduc energia de la sursă la aplicator (fig. 25)

Fig. 25 Echipamentul de hiperfrecvență (microunde):

a-schema de principiu; b-realizare practică.

CAP. II

GENERATOARE DE MICROUNDE

La frecvențele utilizate în încălzirea cu microunde oscilatorii clasici cu triode nu mai convin pentru constituirea generatorilor de putere. Se folosesc generatoare speciale: magnetronul și klystronul.

II.1. Clistronul reflex

II.1.1 Principiul de funcționare

Clistronul reflex este un tub electronic de mică putere (20mW – 1W) pentru microunde, cu funcțiunea de oscilator pe frecvență fixă (fig. 26). În incinta vidată, cu pereți metalici sau de sticlă, se află filamentul Foarte, catodul K, o lentilă electrostatică L pentru concentrarea

Fig. 26 Schema clistronului reflex.

fascicolului de electroni, grila I de accelerare, pe care este aplicată o tensiune pozitivă Uo (de ordinul 250V). Grila I și grila II formează o cavitate rezonantă. Între grilele I și II se consideră o tensiune unde este frecvența unghiulară de microunde. La distanța D de grila II se află reflectorul R pe care se aplică o tensiune negativă –UR.

II.1.2. Modulația în viteză

Se consideră că electronul pleacă de la catod cu viteză nulă. Sub influența tensiunii de accelerare U0, sau a forței F=eE, unde E=U0/d, d fiind distanța dintre catod și grila I, electronul atinge o viteză v0, în dreptul grilei I. Energia cinetică este egală ce energia electrică absorbită de la sursa de curent continuu, adică:

de unde:

sau

.

Întrucât grilele I și II sunt foarte apropiate se consideră că pe grila II există

unde t0 este timpul la grila II și deci viteza va avea expresia:

Presupunând U0>U1 (de regulă U0250 V, iar U120-30 V) se poate considera:

sau notând

se deduce:

Dacă se notează:

rezultă legea de modulație în viteză:

II.1.3. Modulația în densitate

Sarcina electrică transportată de fascicolul de electroni, respectiv numarul de electroni satisface legea de conservare. Numarul de electroni ce pleacă într-un anumit interval de la grila II trebuie să se regăsească la întoacere la grila II, după ce a executat o mișcare încetinită până la viteza nulă și apoi o mișcare accelerată în sens învers. Viteza cu care electronul se întoarce la grila II este egală cu viteza cu care a plecat. Mișcarea electronului între grila II și reflector este similară cu mișcarea corpului aruncat pe verticală în câmp gravitațional.

Din legea de conservare rezultă:

unde I este curentul constant la plecarea electronilor de la grila II; – intervalul de timp la plecarea electronilor de la grila II; i – curentul la întoarcerea la grila II; intervalul de timp la întoarcere.

Relația : se poate pune și sub forma:

sau

când ca și . Se impune a găsi relația între faza de plecare și faza de întoarcere a electronului.

Considerând relația evidentă:

unde t este timpul la întoarcere, t0 timpul la plecarea electronului de la grila II, timpul de la plecare până la viteza nulă sau de la vitaza nulă la întoarcerea la grila II.

Dacă se trece la faze, înmulțind cu rezultă :

Pentru o mișcare încetinită, cu viteză finală nulă (sau o mișcare accelerată cu viteză inițială nulă) timpul temperatura are expresia:

’

unde v este viteza electronului, a accelerația.

Accelerația poate fi determinată din expresia generală a forței aplicate electronului,

unde F este forța apicată electronului în spațiul dintre grila II și reflector.

Rezultă accelerația (de frânare):

Câmpul electric între reflectorul R și grila II se consideră uniform.

Diferența de potențial între grila II și reflector este:

și câmpul electric este

Accelerația devine:

Înlocuind viteza v și accelereția din formule se obține:

Se notează:

și cu

unde este defazajul de zbor pentru semnal nul, iar x factorul de grupare. Relația 6.31 devine:

și de aici

Din formulele anterioare se obține :

Relația reprezintă legea de modulație în densitate sau legea de grupare a electronilor, în spațiul de grupare D.

Condiția de grupare este:

de unde rezultă x>1.

Dacă x<1, rezultă o modulație a curentului, dar ineficientă.

În adevăr, în acest caz:

unde relația s-a dezvoltat în serie, păstrând primii doi termeni, binomul (1+xcost0).

În fig. 27 se reprezintă i(t0). Pentru x>1, variația curentului i(t0)

este dată în fig. 28

Fig. 27 Curentul I(t0), pentru x<1 Fig. 28 Curentul I(t0) pentru x>1

II.1.4. Zonele clistronului reflex

Când condițiile de funcționare se depărtează puțin de sincronism, puterea scade, iar dacă abaterea de la sincronism este mare, clistronul reflex iese din oscilație, adică lucrează pe zone. Numarul N reprezintă ordinul zonei.

Din formulele anterioare se deduce:

unde

Pentru N+1,

și deci

In primul rând, din formulele anterioare se contată că tensiunea de reflector cuprinsă în și ordinul zonei N variază în sens invers; când tensiunea de reflector crește, ordinul zonei scade. Într-adevăr, dacă tensiunea de reflector crește, forța de respingere exercitată asupra electronului crește și deci electronul pătrunde mai puțin în spațiul de grupare și se întoarce după un număr mai mic de perioade, adică N mai mic, N minim este N=0. În practică, aces ordin nu este folosit deoarece impune tensiuni de reflector mari, de ordinul mii de volți, tensiuni neuzuale pentru alimentările din receptoarele și aparatele de laborator curente.

Valoarea maximă a ordinului zonei este limitată de tensiunea minimă de reflector UR=0.

Relațiile anterioare permit determinarea ordinului zonei, dacă s-au citit tensiunile de reflector succesive și (iar U0 este cunoscut).

Dacă se scriu relațiile între U și N pentru trei zone succesive

rezultă:

Curba de variație a puterii în funcție de poate fi determinată considerând:

unde este valoare de la sincronism.

Întrucât

puterea utilă devine:

Dacă o consideră conductanța de sarcină G (în care este imclusă și conductanță cavității), puterea în sarcină este :

Egalitatea celor două puteri conduce la:

și cum din formulele anterioare:

cu , rezultă:

unde G0=I/U0 este conductanța de curent continuu a clistronului.

Când și Pu=0, devine maxim . Cum

La puterea maximă iar și deci

și deci

Dacă puterea utilă maximă se măsoară,

se deduce .

Totodată rezultă randamentul

Cum experimental se determină UR și nu , este necesară trecerea de la la ,

adică

și deci

unde s-a neglijat UR în suma U0+UR+UR. În consecință relația devine

Cura de variație a puterii în funcție de UR este prezentată în fig. 29

II.1.5. Caracteristica de frecvență

Caracteristica de frecvență se determină pornind de la admitanța clistronului reflex,

Punând în evidență partea reală și imaginară și folosind notația , se obține sau, ținând seama de formulele anterioare,

Admitanța unui circuit derivație se exprimă sub forma

Fig. 29 Variația puterii în funcție de tensiunea de reflector

Egalitatea celor două admitanțe conduce la caracteristica de frecvență,

Curba de variație a frecvenței relaive funcție de UR este prezentată în fig. 30. Caracteristica de frecvență are semnificație numai în zona de lucru, adică pentru În afara acestei zone clistronul nu funcionează și deci caracteristica nu există. Când UR este mic,

Fig. 30 Variația frecvenței relative cu tensiunea de reflector.

Fig. 31 Modulația de frecvență obținută cu ajutorul unui semnal sinusoidal suprapus pest tensiunea continuă de reflector.

și panta caracteristicii în porțiunea liniară este:

exprimate de obicei în MHz/V. Regiunea liniară a caracteristicii se folosește pentru realizarea modulației de frecvență. Când

rezultă

Dacă se notează se obține

În fig. 31 se reprezintă semnalul de modulație și variația frecvenței relative.

Clistronul reflex este utilizat în controlul automat al frecvenței (CAF). Receptoarele de microunde au frecvența intermediară de ordinul 60 MHz sau 30 MHz, iar banda de frecvență de aproximativ 3 MHz. Pentru o frecvență de lcru de 10 GHz, o abatere de 3 MHz (ceea ce conduce la ieșirea din bandă a amplificatoruluide frecvență intermediară), înseamnă o vaiație relativă a frecvenței de . Remedierea acestei situații se realizează cu ajutrul CAF. Tensiunea continuă de la ieșirea unui discriminator variază cu frecvența. Când frecvența se abate de la cea nominală tensiunea rezultanța la disciminator se aplică convenabil pe reflectorul clistronului cu rol de oscilator local și acesta își modifică frecvența conform pantei cu 1-2 MHz/V.

II.2. Magnetronul

II.2.1. Caracteristici generale

Magnetronul este un oscilator de putere în microunde. El lucrează în regim de purtătoare (radiație continuă) sau în impuls. În radiație continuă, poate debita puteri de microunde de ordinul 20KV, cu randamentul 80%, iar în regim de impuls puteri de megawați, întrucât raportul dintre puterea de vârf Pv și puterea medie Pm corespunde raportului dintre perioada de repetiție Temperatura și durata impulsului . Cum raportul este de ordinul 103 (, T=1 ms), puterea medie este de ordinul Kw pentru puteri de vârf de megawați. Banda de frecvențe de lucru este îngustă deoarece magnetronul utilizează cavități rezunante, încorporateîntr-un anod metalic masiv A (fig. 32) de obicei din Cu. Între anodul A și catodul K se aplică o tensiune continuă, (sau în impuls) de ordinul miilor de volți. Anodul este conectat la masă, iar tensiunea aplicată catodului este negativă. Cu ajutorul unui magnet se creează un câmp magnetic de inducție B0, parale cu axa catodului.

Datorită cavităților rezonante prevăzute în anod, câmpul electromagnetic de microunde are, la rezonanță, intensitatemare, astfel încât, la obținerea puterii de microunde prin frânarea electronilor, contribuie atât interacțiunea îndelungată câmp electric – electron, cât și intensitatea mare a câmpului electric. Interacțiunea are loc în timp ce electronii se deplasează în jurul catodului, în spațiul ando – catod. Randamentul are valori ridicate, datorită lipsei grilelor (transparență unitate), și caracterului combinat rezonant-undă progresivă al câmpului electromagnetic.

Fig. 32 Magnetronul cu patru cavități.

II.2.2. Mișcarea electronului în magnetronul plan. Regimul static

Midelul magnetronului plan este prezentat în fig. 33. Între cele două plăci (cea superioară – anodul A și cea inferioară – catodul K) se apliă tensiunea constantă în timp U0. Plăcile sunt așezate la distanța d.

Fig. 33 Modelul magnetronului plan.

În regim static (când nu există oscilații de microunde), cavitățile rezonante nu joacă nici un rol și anodul poate fi considerat continuu.

Modelul de magnetrin plan reprezintă o primă aproximație a magnetronului real. Între plăcile ando-catod există un câmp electric static, uniform,

Pe direcția x se aplică un câmp magnetic de inducție B0, constant în timp. Ecuația mișcării electronului sub influența câmpului electric E0 și a inducției B0, rezultă din forța care acționează asupra lui:

Se obțin ecuațiile scalare ale mișcărilor pe axele x și y,

Dacă se consideră, în prima etapă, E0 nul, soluția ecuațiilor sub formă parametrică este:

unde z0, y0, R, sunt constante. Pulsația reprezintă viteza ungiulară ciclotronică a electronului și are valoare:

Traiectoria electronului este în acest caz cercul de ecuație:

Dacă , din formula anterioară, pusă sub forma

se constată că termenul E0/B0 corespunde unei viteze constante, orientate după axa z,

și deci ecuația parametrică pentru z devine:

Sub influența câmpurilor electric și magnetic, electronul execută o mișcare compusă dintr-o mișcare uniformă de translație cu viteza v0=E0/B0 și o mișcare de rotație cu viteza liniară .

Când viteza de translație și viteza liniară în mișcarea de rotație sunt egale, traiectoria pe care se deplasează electronul este o cicloidă. La o rostogolire completă a cercului, centrul acestuia parcurge a distanță egală cu lungimea lui.

După cum viteza de translație este mai mare sau mai mică decât viteza liniară în mișcarea de rotație, traiectoria este o cicloidă scurtată sau o cicloidă alungită fig. 34.

Fig. 34 Mișcarea electronului în magnetronul plan: a-cicloida;

b-cicloida alungită; c-cicloida scurtată.

II.2.3. Circuitul anodic al magnetronului

Un sector din anodul unui magnetron are drept circuit echivalent un cuadripol nesimetric și fără pierderi, care cuprinde circuitul rezonant corespunzător cavității și capacitatea spațiului anod – catod fig. 35.

Fig. 35 Circuitul echivalent al unui sector al anodului magnetronului: a-sectorul; b-cvadripolul echivalent.

Puterea reală la intrarea și ieșirea cuadripolului este aceeași

P1=P2

iar impedanța de intrare (mod de lucru iterativ) este

.

Dacă la intrare tensiunea și curentul sunt U și I, iar la ieșire și , se satisfac ecuațiile

Prin eliminarea mărimilor U și I, rezultă

de unde

Dar

iar

și deci din formulele anterioare rezultă

Variația fazei pe un sector anodic este:

unde n este numărul de lungimi de undă ce ia naștere în blocul anodic, iar N numărul de cavități.

II.2.4. Selecția de fază

Câmpul electric într-un sector de anod al magnetronului are structura din fig. 36. În cavitatea rezonantă are loc un mod de oscilație TE111; în canalul de cuplaj câmpul este uniform ca într-un condensator plan, iar în spațiul de interacțiune între câmpul electric de microunde și electron (spațiul anod – catod), câmpul electric are componentele și (în cazul magnetronului cilindric) și Ey, Ez în cazul modelului plan.

Fig. 36 Distribuția câmpului electric de microunde în secțiunea anodică a unui magnetron.

Componenta este perpendiculară pe componenta continuă E0, orientată radial.

În cazul static s-a constatat că E0 este perpendicular pe axa z, rostogolitoarea cicloidei. Se face ipoteza că, la un moment dat, rezultanta componentelor E0 și (de exemplu maxim pozitiv și maxim negativ) se comportă ca în regim static, adică reultanta este perpendiculară pe rostogolitoare. În fig. 37 rostogolitoarea face un unghi pozitiv mic cu axa z și electronii ajung la anod după un timp lung de interacțiune cu câmpul electric de microunde și sunt deci cu fază “favorabilă”. În cazul când este maxim negativ, foarte scurt, electronii sunt cu fază “defavorabilă” fig. 38 (prin emisie secundară se asigură emisia catodului, astfel încât după o încălzire inițială alimentarea catodului se întrerupe). În acest mod are loc o selecție de fază. Selecția de fază produce și o modulație în densitate.

Fig. 37 Efectul componentei Este maxim pozitive.

Fig. 38 Efectul componentei câmpului electric de microunde Este la valoarea maxim negativă.

II.2.5. Modulație în viteză

Analiza regimului static al megnetronului plan a pus în evidență efectul componentei continue a câmpului electric E0 și anume apariția unei viteze constante după axa z, v0z de valoare

.

Dacă se adaugă efectul componentei câmpului electric de microunde sau , se deduce

sau

ceea ce conduce la

unde

Relația de mai sus reprezintă legea de modulație în viteză în funcționarea magnetronului. Modulația în vitză are drept cosecință gruparea sau modulația în densitate.

În cazul unui generator conceput cu ajutorul unui tub electronic de 1 kW , semnalul de IT este redresat monoalternanță, nefiltrat, ceea ce conduce la o funcționare întermitentă a tubului, cu o valoare de vârf a câmpului electric ai ridicată la aceeași putere medie și fără nici un reglaj de putere fig. 39. Răcirea se face în aer.

Fig. 39 Generator de hiperfrecvență cu tuburi.

Deși calitatea semnalului astfel obținut este mai slabă, o bună parte din aplicațiile industriale sunt acoperite de această putere și este preferată, cu atât mai mult cu cât costul ei este scăzut. Schema de bază a unui generator industrial de microunde (cu magnetron) este prezentată în fig. 40.

Fig. 40 Schema unui generator industrial de microunde cu magnetron.

Puterea la ieșirea din acest sistem poate fi reglată fie prin tensiunea continuă aplicată între catod și anod, fieprin modificarea câmpului magnetic aplicast între electrozi.

Instalațiile industriale sunt prevăzute cu sisteme de protecție rapidă pentru evitarea unor supracurenți anodici, un senzor de temperatură pe corpul magnetronului, un detector de arc și un control al sistemului de răcire.

Magnetronul pentru uz industrial poate fi de 915 MHz sau 2450 MHz.

CAP. III

GHIDURI DE UNDĂ UNIFORME

III.1. Ghidul de undă

Ghidul de undă reprezintă un domeniu, sitat în lungul unei axe, delimitat de suprafețe de discontinuitate a parametrilor electrici și magnetici ai mediului (permitivitatea , permeabilitatea , conductivitatea ) fig. 41. Domeniul poate asigura propagarea ghidată a câmpului electromagnetic, pe direcția axei sale.

Clasificarea ghidurilor de undă are drept criterii proprietățile electrice ale mediilor consitutive și geometria ghidului. În afara acestor criterii de bază, se aplică și criteriul repartiției câmpului în ghidul de undă.

Fig. 41 Ghidul de undă, cazul general.

Criteriul proprietăților electrice ale mediilor constitutive are în vedere două aspecte:

modul de variație al parametrilor electrici , , și în funcție de intensitatea câmpului electromagnetic, poziția sau direcția în mediu.

Valoare relativă a parametrilor electrici și magnetici.

În cazul cel mai simplu, mediul este caracterizat prin parametri electrici și magnetici – constante scalare – Pi =ct, unde s-au notat cu Pi parametrii , , și ai mediului. Mediul cu astfel de parametrii electrici este liniar, omogen și izotrop.

Clasificarea unor medii în funcție de tipul parametrilor electrici, este prezentată în tabelul următor.

Mediul este neliniar, dacă parametrii săi electrici P sunt funcție de intensitatea câmpului electric și magnetic, E și H.

Dacă Pi nu depinde de |E| sau |H|, mediul este liniar.

* Pi = const, mediul este liniar, omogen și izotrop.

Când Pi = Pi(u1,u2,z), unde u1,u2 sunt coordinate ransversale generalizate, iar z este coordonata în lungul axei ghidului, mediul este neomogen. Dacă Pi nu depinde de coordonate mediul este omogen.

Uneori,este avantajos a se pune în evidență neomogenitatea axială,

Pi = Pi (z),

și neomogenitatea transversală,

Pi = P(u1,u2).

Dacă Pi are caracter tensorial, Pi = (Pi) , mediul este anizotrop.

Încadrarea unui mediu, în categoria conductoarelor sau dielectricilor, se bazează pe comparația densităților de curent de conducție și de deplasare. Se consideră regimul sinusoidal.

Vectorul densitate de curent de conducție c are expresia [NE, TA]

c =E,

iar vectorul densitate de curent de deplasare d [NE, TA]

d = jE,

unde reprezintă frecvența unghiulară, – permitivitatea, – permitivitatea spațiului liber, – constanta dielectrică. Densitatea de curent și câmpul sunt exprimate prin amplitudini complexe.

Mediul este conductor dacă

|c| >> |d|

sau

și dielectric, dacă este valabilă condiția inversă

|c| << |d|

sau

.

Caracterul de conductor sau dielectric este funcție de frecvență.

O clasă importantă de ghiduri este aceea a ghidurilor uniforme

Ghidurile uniforme au secțiunile transversale identice, în orice punct pe axa longitudinală z fig. 42. Conturul secțiunii transversale poate fi o curbă oarecare. Această curbă este rezultatul intersecției suprafeței laterale a ghidului cu un plan transvesal T, (perpendicular pe direcția de propagare, corespunzătoare axei z a ghidului), ca în fig. 43. Când planul transversal Temperatura este translatat de-a lungul axei z, curba de contur a secțiunii nu se modifică.

Fig. 42 Ghidul uniform.

Fig. 43 Ghidul uniform are secțiunea constantă. La translația planului Temperatura conturul nu se schimbă.

Ghidurile uniforme sunt denumite și ghiduri cilindrice. Prin definiție, ghidul uniform este nelimitat (infinit) pe axa z. Ghidurile ideale (fără pierderi) au proprietatea de a menține constantă putere transmisă pirn secțiunea transversală.

După forma conturului secțiunii transversale, ghidurile uniforme pot fi dreptunghiulare, circulare, eliptice, în H, în U, coaxiale, etc. (fig 44, a,b,c,d,e,f).

Fig. 44 Clasificarea ghidurilor uniforme după conturul secțiunii transversale: a-dreptunghiular; b-circular; c-eliptic; d-în H; e-în U; f-coaxial.

Clasificarea ghidurilor după criteriile de mai sus este prezentată în tabelul .3

După criteriul repartiției câmpului electromagnetic, ghidurile sunt închise sau deschise.

Ghidurile uniforme cu pereți metalici, denumite și tubulare sunt ghiduri închise, întrucât câmpul electromagnetic generat în interiorul lor nu pătrunde în exterior datorită efectului de ecran al peretelui.

Ghidul dielectric planar și linia bifilară sunt ghidurile deschise întrucât în jurul lor există câmp electromagnetic fig. 45.

Fig. 45 Ghiduri deschise: a-ghidul dielectric planar; b-linia bifilară.

Dacă distribuția transversală a câmpului exterior ghidului are loc după o funcție exponențială, realizându-se concentrarea câmpului în jurul suprafeței de separație a mediilor, ghidul este de tipul cu undă de suprafață fig. 46.

Fig. 46 Ghidul dielectric planar, ca ghid cu undă de suprafață.

Un ghid de undă poate fi uniform geometric, dar neuniform electric, în cazul în care mediul este axial neomogen. În acest caz, ghidul nu este considerat uniform.

Ghidurile neuniforme pot fi piramidale, conice, exponențiale fig 1.7 a,b,c cu dicontinuități fig 1.8 sau axial neomogene fig 1.9

Fig. 47 Ghiduri neuniforme: a-piramidal; b-conic; c-exponențial.

Fig. 48 Ghidul neuniform cu discontinuități.

Fig. 49 Ghidul axial neomogen (uniform geometric; neuniform electric).

Ghidul neuniform se folosește, de exemplu, ca antenă (pâlnie sau horn), când adaptează impedanța liniei sau cablului de alimentare (fiderului) la impedanța spațiului și realizează câmpul electromagnetic în spațiul liber.

Un caz particular de ghid neuniform este cel periodic fig. 50 și fig. 51, pentru care este îndeplinită condiția

T(u1,u2,z) = T(u1,u2,z+d),

Unde d este perioada spațială, iar T(u1,u2,z) funcția de distribuție a unei componente a câmpului.

În cele ce urmează prin ghidul de undă se înțelege ghidul de undă uniform; când condiția de uniformitate nu este îndeplinită, se precizează tipul de ghid de undă.

Fig. 50 Ghidul periodic diafragmat.

Fig. 51 Ghidul helicoidal (ghid metalic periodic, deschis, cu undă de suprafață).

III.2. Ghidurile de undă în hiperfrecvență

În hiperfrecvență, transmisia energiei de la sursă la produsul încălzit se factorul de prin ghiduri de undă.

Acestea pot fi cilindrice, de secțiune circulară, rectangulară, eliptică sau coaxiale, potrivit modului de propagare dorit:

Este sau TM (transversal magnetic), când componenta longitudinală (în sensul de propagare a undei) a câmpului magnetic este nulă;

H sau TE (transversal electric), când componenta longitudinală a câmpului electric este nulă;

E și H sau TEM (transversal electromagnetic), când componenetele câmpului electric și magnetic sunt reduse la componentele lor transversale; adică, este vorba de o undă electromagnetică, asemănătoare undelor electromagnetice din spațiul liber și neperturbat; cele două componente ale câmpului sunt orogonale; ele sunt în fază și amplitudinile se află într-un raport constant numit impedanță de fază.

III.3. Modul de constituire a unui ghid de undă

Modul de constituire a unui ghid de undă de secțiune dreptnghiulară poate fi obținut foarte intuitiv printr-o analiză a fenomenului de propagare: se consideră o pereche de unde plane de amplitudine și frecvențe egale, care se propagă în două direcții ce fac între ele unghiul fig 51.

Fig.51 Modelul de costituire a unui ghid de undă

Câmpul electric se consideră perpendicular pe diagramă.

Liniile pline indică poziția la momentul când E este maxim pozitiv, liniile punctate corespunzând câmpului E maxim negativ.

Între cele două momente, amplitudinea câmpului variază sinuoidal. În orice punct unde o linie plină intersectează o linie punctată, rezultanta E este zero, dar când intersectează o linie plină, câmpul rezultant este dublu.

Câmpul electric va fi zero în lungul unei axe longitudinale. Va fi astfel posibil să se introducă plane conductoare paralele și perpendiculare pe iagramă, fără ca propagarea să se modifice.

Câmpul E între două asemenea plane, cele mai apropiate, variază sinusoidal pe direcția transversală dintre ele, având un maxim la mijlocul distanței și sinusoidal în direcția paralelă cu ele.

Câmpul în exterior poate fi eliminat, obținându-se astfel un ghid de undă. Apare un aspect foarte important: lungimea de undă în ghidul g este mai mare decât a undelor plane care au format-o și conform geometriei locale:

Cu cât este mai mare g va fi mai mare. La limită, =90o și . Aceasta apare când 0 este egală cu de două ori distanța dintre planele de separare și este denumita lungimea de undă critică c.

La lungimi de undă mai mari decât c unda nu se mai poate propaga fără o atenuare foarte mare.

Este posibilă și introducerea unor plane perpendiculare pe primele, formându-se astfel un tub cu axa coincidând cu direcția de propagare. Pe suprafața acestora Este va avea o valoare finită și perpendiculară pe ea.

Acesta este cel mai simplu ”mod” de propagare. El este caracterizat în cea mai joasă frecvență ce se poate propaga liber. El se va caracteriza printr-un singur vector. Fiecare va avea o singură componentă, paralelă cu suprafețele înguste ale ghidului, cu o variație de o jumătate de sinusoidă între ele și maxim la mijloc.

Câmpul ma gnetic are două componente formând o buclă închisă. Una din direcția z(Hz), alta perpendiculară pe axă și paralelă cu planele mari (Hx). Ambele sunt sinusoidale în timp șî în funcție de z. De notat că Ey și Hx au maximele în același punct pe axa z, în timp ce Hz are maxim la g/4 de acesta fig 52.

Fig.52 Mdistribuția câmpuurilor E și H într-un ghid dreptunghiular

Fenomenul de reflexie va avea loc dacă 0/2 este mai mică decat cea mai mare dimensiune a secțiunii ghidului. Unda se stinge pentru toate frecvențele mai mici sau egale cu frecvența de tăiere:

unde c este viteza luminii;

-c lungimea de undă de tăiere.

Între 0, c și g există relația:

funcționarea la frecvența de tăiere se numește “mod fundamental”.

În industrie se utilizează două tipuri de ghiduri de undă: ghidul de undă coaxial circular și ghidul monoconductor rectangular.

Ghidul coaxial circular permite propagarea undei TEM pentru orice frecvență. Unda este transmisă conductorului central fie direct, fie indirect prin cuplaj inductiv sau capacitiv.

Ghidul de undă rectangular, fiind monoconductor, nu permite propagarea modului TEM. Dimensiunile lui depind de frecvență: la 2450 MHz dimensiunile sunt de 86 x 43 mm, la 915 MHz de 248 x 124 mm.

Ghidurile utilizate sunt prezentate în tabelul următor:

III.4. Aplicatori.

Aplicatorul este acea parte a echipamentului de microunde prin care energia electromagnetică a sursei este transfeată către produsul de încâlzit. Forma sa depinde deaplicația propriu-zisă. El trebuie să fie eficient (transferul de energie să fie optim) și sigur (fără pierderi de radiații). De aceea toți aplicatorii au forma unor incinte închise, de forme, mai mult sau mai pițin complexe, care conțin produsul și undele electromagnetice.

Există două forme de bază pentru aplicatorii de microunde: ghidul de undă sau aplicatorul “monomod” și apicatorii cavitate “moltimod”.

III.4.1 Aplicatorii “monomod”.

Fig. 53 prezintă un aplicator ghid de undă tipic.

Fig. 53 Aplicator ghid de undă progresiv.

Produsul trece prin fantele ghidului rectagular. La extremitatea ghidului, o sarcină răcită cu apă preia surplusul de energie. Acest tip de aplicator se numește “aplicator de undă progresiv”.

O variantă a acestui tip de apliator folosește în locul sarcinii cu apă un piston mecanic ajustabil, constituind un scurtcircuit și un “iris” reglabil între generator și produs, având rolul de a limita puterea limitată. Acesta este un “aplicator ghid de undă rezonant” (fig 54).

Fig. 54 Aplicator ghid de undă rezonant.

Un ghidde undă rezonant, de formă circulară este prezentat în fig. 55. Sistemul este folosit pentru încâllzirea unor produse cilindrice, plasat în centrul cavității și este denumit cavitate “monomod” ori aplicator “rezonant”.

Fig. 55 Aplicator “monomod” sau rezonant

Toți aplicatorii de mai sus permit o distribuție foarte omogenă a câmpului electric în produl și deci o încălzire uniformă a acestuia.

III.4.2. Aplicatori cavitate “multimod”.

Fig 56 prezintă o vcavitate multimod, utilizată la instalația de încălzire de utilitate casnică.

Fig. 56 Aplicator cavitate “multimod”: a- distribuție directă;

b – distribuție obținută cu “ventilator electromagnetic”

În cavitate au loc reflexii succesive pe pereții metalici. Aceasta “umple“ cavitatea cu câmp electric și produsul se va încălzi în orice punct s-ar afla în interiorul cavității. Apar însă neuniformități în distribuția câmpului electric, ceea ce poate produce o distribuție neuniformă de temperatură. Aceasta se poate corecta, fie utilizând un ventilator electromagnetic, fie imprimând produsului o mișcare de rotație fig 56.

Fantele sunt rectangulare și rezonante, adică perimetrul lor este apropiat de 0, iar mărimea lor este stabilită în funcție de tensiunea de străpungere. De pildă pentru 2450 MHz ea este de 6 mm. Fantele se pot dispune paralel sau serie fig. 57 ele sunt poziționate în punctele de maxim ale câmpului electric pentru cele paralel și în maximul de curent pentru cele serie.

Fig. 57 Dispunerea fantelor rezonante: Fig. 58 Adaptarea la înaltă

a – paralel; b – serie. frecvență.

Înclinarea axei fantelor permite reglarea puterii transmise. Atunci când fantele sunt dispuse de o parte și de alta a axei ori cele serie sunt altirnativ înclinate, ele radiază în fază. Atunci când fantele paralel sunt de aceeași parte a axei,sau cele în serie sunt la fel înclinate, ele radiază în opoziție de fază.

III.5. Adaptarea.

III.5.1. Adaptarea în IF.

În IF generatoarele sunt autooscilante, astfel că frecvența poate varia în limite largi. Adaptarea generatorului la sarcină se efectuează cu ajutorul unor elemente reactive dispuse serie sau paralel.

Pentru a elimina influența impedanței sarcinii asupra fei se recurge adesea la circuite cuplate ca în fig .58

Dezacordul , frecvența medie fmed, coeficientul de cuplaj critic kc și coeficientul de cuplaj echivalent k sunt următoarele:

,

cu km –coeficient de cuplaj magnetic ().

Condiția să existe două frecvențe de rezonanță este :

Relațiile de mai sus permit stabilirea celor două frecvențe de rezonanță:

În general frecvența f2 a circuitului secundar, care variază în funcție de sarcină, este mult mai mare decât frecvența f1 a circuitului primar, care rămâne constantă.

În realitate, vor exista două frecvențe: f" mult mai mare decât f2 și variabilă și o frecvență f' foarte aproape de f1. Fie în mod normal, fie prin intermediul unui circuit de excitație, ansamblul funcționează la frecvența f'.

III.5.2. Adapterea în UIF.

În UIF, frecvența este impusă de susă. Rolul adaptării este de a reduce, pe cât posibil unda reflectată de sarcină. Cu cât unda reflectată este mai mare, cu atât se pierde o parte din energia sursei destinate încălzirii dar, în același tmp apare pericolul distrugerii sursei fig.59

În interiorul ghidului câmpul totalva fi:

Se definește raportul de unde staționare ca raportul dintre Emax și Emin din interiorul ghidului de transmisie a energiei de la sursă la sarcină. Acest raport trebuie să fie cât mai aproape de 1.

Fig.59 Adaptarea în hiperfrecvență

III.6. Aplicațiile industriale ale încălzirii de înaltă și hiperfrecvență

Făcând o analiză atentă a caracteristicilor încălzirii dielectrice de înaltă și foarte înaltă frecvență și ținând seama de limitările de natură economică și tehnologică, până în prezent aceste tipuri de instalații sunt utilizate mai ales în următoarele sitații:

aplicații specifice dificil de realizat cu o altă tehnică;

aplicații mixte încălzire de hiperfrecvență în combinație cu un alt prcedeu;

aplicații în care puterile necesare sunt reduse.

A. În domeniul consumului menajer. Există în lume mai mult de 20 milioane de aparate de preparare a hranei, mai ales în SUA și Japonia

Caracteristicile principale ale aparatelor de uz casnic sunt:

– puterea redusă, sub 1 kW microunde (în general de 500 – 600 W MO);

– timp de încălzire foarte rapidă, de câteva minute în majoritatea cazurilor, față de zeci de minute în cazul instalațiilor de încălzire tradiționale;

– consum de energie scăzut, obținându-se o reducere a consumului cu până la 50%.

Principiul instalațiilor cu MO folosite în consumul menajer este prezentat în fig. 56, b.

B. În domeniul idutrial. Aplicațiile industriale se regăsesc cu preponderență în următoarele domenii:

– industria lemnului, hârtiei și cartonului;

– industria textilă;

– industria alimentară;

– vulcanizarea cauciucului;

– polimerizarea rășinilor sintetice;

– uscarea și coacerea produselor ceramice și refractare;

– uscarea miezurilor de turnătorie;

– uscarea substanțelor de lipit;

– fabricarea lentilelor de contact;

– uscarea și sterilizarea produselor farmaceutice;

Se pot preciza următoarele caracteristici pentru încălzirea în procese industrial ale tehnologiei de IF și UHF:

în încălzirea dielectrică căldură este produsă direct în masa materialului dielectric, obținându-se o distribție uniformă a temperaturilor. Se evită supraîncălzirea suprafețelor, ca și a peioadei de postîncălzire pentru stabilizarea temperaturilor în întrega masă a materialului.

Încălzirea este foarte rapidă, puterea disipată fiind cuprinsă înrte 1 – 100 W/cm3, astfel încât viteza de încălzire este mai mare de 20oC/s, fără a exista pericolul distrugerii produsului.Timpul de încălzire variază de la câteva secunde la câteva minute.

Încălzirea dielectrică poate fi întreruptă instantaneu. Mai mult, puterea poate fi reglată foarte precis creând avantajul unui control precis al temperaturii produsului, chiar într-o încălzire foarte rapidă.

Realizarea unei încălziri selective în cazul încălzirii unor produse realizate din mai multe materiale dielectrice, încălzirea dependentă de factorul de pierderi al acestora (de exemplu lipirea plăcilor de lemn, uscarea lemnului și a cartonului umed ș.a.).

O justificare economică a încălzirii dielectrice depinde de o balanță corectă între costul investiției, costurile de funcționare și beneficiile asociate încălzirii. Uneori evaluarea acestora din urmă este greu de făcut, deoarece ele depind de posibilitățile pe care utilizatorul le are în acceptarea schimbării de tehnologie:

– încălzirea rapidă este favorabilă încadrării într-un lanț tehnologic;

– îmbunătățirea calității produsului obținut;

– dimensiuni foarte reduse ale echipamentelor;

– echipamentul asigură, prin lipsa produselor de ardere, o mai bună încadrare în mediu înconjurător.

În cele de mai jos vor fi prezentate câteva aplicații industriale ale încălzirii in IF și UHF

B1. Industria cauciucului. În procesul de vulcanizare a cauciucului, încălzirea prin MO,spre deosebire de tehnicile tradiționale este foarte rapidă. În timpul încălzirii, profilul trece printr-o stare plastică care trebuie să fie cât mai scurtă pentru a se garanta o stabilitate dimensională bună. Aplicațiile sunt de obicei de tipul cavitate rezonantă la 2450 MHz ,fig. 60

Fig. 60 Instalație de microunde în industria cauciucului

1 – panouri de comandă; 2 – aerator; 3 – atenuator; 4 – role de antrenare.

B2. Industria textilă. Textilele sunt izolanți termici buni datorită conductivității termice reduse a fibrelor și a structurii poroase ale acestora. O încălzire rapidă a acestora se obține în IF cu rezerva că geometria produselor să fie relativ regulată, astfel încât repartiția câmpului electric în interiorul masei de încălzit să fie uniformă. La uscare, materialul este sediul unui proces de autoreglare. Părțile umede se încălzesc mai repede decât cele uscate. Această proprietate interesaeză pentru că uscarea în exces constituie o pierdere de energie și provoacă modificări nedorite ale caracteristicilor fibrei.

Fig 61 prezintă un uscător, lucrând la frecvența de 27,12 MHz, care permite încălzirea unei cantități de 150 de kg în 4 minute la 130oC.

Fig. 60 Istalație de radio-frecvență în industria textilă.

B3. Industria ceramică. Încălzirea de IF are aplicații în mai multe sectoare ale industriei ceramice: uscarea blocurilor ceramice, uscarea plăcilor ceramice și sinteza produselor ceramice.

Utilizarea MO aduce o reducere spectaculoasă a consumului de energie. Densitatea de putere variază între 0,3 și 5 W/cm3.

B4. Industria lemnului, hârtiei și cartonului. Lipirea plăcilor lemnoase este posibilă în sisteme clasice numai pentru plăci subțiri. În IF o lipire rapidă se efectuează la 13,56 MHz și este cunoscută sub formele prezentate în fig 53. În varianta a, câmpul electric nu depășește 1,5 kV/cm, iar consumul de energie este de 0,26 kWh/m2 de suprafață de lipire, iar timpul de lipire este 5 – 10 sec. În varianta b, consumul de energie este de 0,037 kWh/kg produs. În varianta c, consumul de energie este de 0,74 kWh/m2 de substanță de lipire și se utilizează pentru situațiile în care lipirea trebuie făcută în puncte mai dificile.

În lipirea plăcilor de lemn se utilizează astăzi și tehnologia MO la 2450 MHz folosind mai multe generatoare de 1,2 kW.

Uscarea lemnului beneficiază de tehnologia IF cu generatoare de 20-25 kW, fiind necesar un consum de 0,9 kWh/kg apă înlătuată. Fig 61 prezintă o comparație între diferite tehnologii de uscare a lemnului, din care rezultă eficacitatea sistemelor de IF.

Fig. 61 Ieficacitatea încălzirii în IF a lemnului;

1 – aer extras la maxim 3000C; 2 – aer extras la minim 3000C;

3 – infraroșu electric; 4 – IF;

B5. Alimente și medicamente. Industria alimentară prezintă un potențial ridicat pentru introducerea tehnologiilor de IF și UHF. Acest sector acoperă aplicații foarte variate, cum ar fi: decongelarea, pasteurizarea și sterilizarea, coacerea, uscarea. Pentru a determina caracteristicile electrice necesare tratării termice a unui dielectric de caracteristici cunoscute, se poate utiliza diagrama Maddock al cărui principiu este prezentat în fig 62.

C. Aplicații mixte de încălzire dielectrică – alte procedee. Avantajele specifice ale încălzirii dielectrice sunt utilizate și pentru a ameliora un procedeu clasic în scopul creșterii eficacității globale. Astfel, costul investițiiei este net inferior față de cele din încălzirea dielectrică exclusivă, iar productivitatea și calitatea sunt net superioare. Puterea în IF sau UHF este foarte mică și reprezintă doar câteva procente din întreaga putere consumată.

Acest sistem este utilizat pentru preîncălzirea rapidă a produselor, menținerea la sfârșitul încălzirii fiind apoi asigurată printr-un mijloc tradițional, adesea aer cald sau pentru o încălzire finală cu IF sau UHF, în cazul unei încălziri dificil de realizat cu tehnologie clasică în procesele de uscare fig 63

Fig. 62 Diagrama Maddock.

Fig. 63 Dîncălzirea mixtă: dielectrică+ alt procedeu 1 – încălzirea cu MO; 2 – încălzirea clasică; a – uscare; b – încălzire;

Tabelul următor prezintă performanțele energetice comparate pentru instalații de uscare clasice și cele de IF la uscarea bobinelor după vopsire într-o industrie textilă.

III.7. Efecte biologice ale undelor de IF și UIF

Expunarea la radiații de înaltă frecvență timp îndelungat poate da naștere la efecte nocive. Radiația de hiperfrecvență este neionizată, efectul său principal fiind de natură termică, de altfel curent utilizat în medicină.

Corpul absoarbe radiația și se adaptează variațiilor de temperatură astfel produse, căldura excedentară fiin eliminată prin circulație sanguină. Dacă radiația devine totuși foarte importantă, echilibrul termic nu poate fi menținut de corp și vor apărea arsuri. Cum frecvența înaltă și hiperfrecvența încălzesc în profunzime, poate exista teama unor arsuri profunde, fără ca încălzirea superficială să fie excesivă. Există insă un prag a radiației peste care modificările, care apar sunt ireversibile (cumulative).

Cercetările efectuate pentru precizarea acestui prag au arătat că nu apare nici un efect vizibil permanent pentru nivelele de putere sub 100 mW/cm2. Organul cel mai sensibil este ochiul, care prezintă un prag de 150 mW/cm2, pentru care pot apărea cataracta după o expunara continuă de o oră și jumătate (să precizăm că nivelul de 100 mW/cm2 este cel al radiațiilor infraroșii produse de soare vara la amiază). Adoptând un coeficient de securitate de 10, în SUA a fost adoptată valoarea de 10 mW/cm2 ca limită superiară tolerată pentru o expunere nelimitată la radiații de hiperfrecvență. Această valoare nu trebuie depășită în vecinătatea unei instalații funcționând la UIF fig 64.

În rusia limita superioară este fixată la 10 W/cm2 adică de 1000 de ori mai mică decât în America.

Unii cercetători afirmă existența unor efecte nocive la nivele foarte slabe, ca: nervozitate, dezechilibre hormonale, activitate cerebrală anormală.

Unele simptomeau fost observate pe eșantioane de țesături dar nu și pe organe intacte.

Fig. 64 Nivele de incidență admise pentru densitatea de putere peste 100 kHz și curble referitoare la SAR (rata de absoție specifică)

Din punctul de vedere al instalațiilor de IF sau UIF aflate în funcțiune nu au fost semnalate accidente, ele fiind corect ecranate; radiațiile existente în vecinătatea lor sunt de ordinul a 1 mW/cm2 la 2 cm de ușa acestora.

Standardele unor țări ca ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienists), ANSI (Americam International Standard Institute), IRPA (International Radiation Protection Association) sunt bazate pe noțiunea de “Specific Absorbation Rate” (SAR) care poate fi corelată cantitativ cu efectele biologice. SAR este definit ca puterea electromagnetică absorbită de o unitate de masă de țesut biologic.

Standardele menționate mai sus consideră că efectele biologice po fi prevenite printr-o limitare convenabilă a SAR.

Limita prevăzută de toate standardele de mai sus este de 0,4 W/kg. Această limită este de 10 ori mai mică decât valoarea minimă pentru cae au fost evidențiate efecte biologice.

Pentru zonele de interes public, standardele au introdus un factor de siguranță asupra SAR egal cu 5, care face ca limita pentru populație să fie de 0,08 W/kg.

CAP. IV

GHIDURI ȘI CAVITĂȚI REZONANTE

Fie ecuațiile Maxwell ce descriu câmpul electromagnetic în prezentă sarcionilor electrice și a curenților:

– legea circuitului magnetic;

– legea inducției electromagnetice;

– legea fluxului magnetic;

– legea fluxului electric;

– legea legăturii dintre inducție și intensitatea câmpului magnetic;

– legea conducției electrice.

în care: E este vectorul câmp electric;

H – vectorul câmp magnetic;

B – vectorul inducție electrică;

J – vectorul densitate de curent;

– conductivitatea electrică a meterialului conductor;

– densitatea de sarcină;

– permeabilitate magnetică.

Sistemul de relații de mai sus conduce la relația:

sau:

.

Ecuația admite soluții nenule numai pentru anumite frecvențe particulare.

Coeficientul h2 poate lua valori pozitive sau negative. Să admitem că h2 este pozitiv. Atunci 2 poate fi pozitiv sau negativ.

Dacă 2 > 0 atunci este real și propagarea are loc. Dacă 2<0 atunci este imaginar pur, este descrescător în funcție de direcția de propagare și apare o întrerupere a legăturii.

Dacă se notează:

unde g este lungimea de undă a ghidului;

0 – lungimea de undă în vid;

c – lungimea de undă de tăiere, între acestea va exista relația:

Condiția propagări va fi: c>b. Este deci necesară cunoașterea diferitelor valori ale lui c pentru diverse moduri de propagare sau unde în ghid.

IV.1. Moduri de propagare.

Cunoașterea tuturor configurațiilor posibile ale câmpurilor într-un ghid este obținută prin două mărimi scalare independente. În aplicațiile energetice se obișnuiește folosirea componentelor Ez și Hz în direcția axei de propagare.

Placând de la Hz se obține modul “Transversal Electric” TE:

.

Componenta Hz este nulă.

Plecând de la Ez se obține modul “Transversal Magnetic” TM:

.

Componenta Hz este nulă (gradientul din relațiile de mai sus are componente numai după x și y).

Aceste dioferite moduri de propagare sunt ortogonale și ele pot servi ca bază pentru a descrie o configurație oarecare și în particular cele produse de către surse.

Modurile de propagare vor fi caracterizate, deci, prin componente axiale unice.

a. Rezolvarea ecuației în cazul unui ghid dreptunghiular de dimensiuni a și b dă:

și :

cu m și n întregi.

Un ghid dreptunghiular posedă, deci, o familie de moduri de propagare definite de cmn.

În general se utilizează modul fundamental care este acel mod a cărui lungime de undă critică (sau de tăiere) este cea mai mare.

Pentru a>b, modul (1,0) este caracterizat prin m=1, n=0 are c=2a (maxim) și:

Acesta este modul TE10. El este cunoscut prin Hz și Ez.

Cunoașterea componentelor Hz permite caracterizarea mai bună a modului:

Liniile de curent pe pereți au traiectorii ortogonale cu liniile de câmp magnetic. Trebuie remarcată existența unei linii de curent paralel cu linia generatoare la mijlocul dimensiunii celei mai mari și existența liniilor paralele cu dimensiunea mai mică. Distribuția câmpului electromagnetic întrun astfel de ghid apare în fig. 52

Dacă ghidul este paralel cu liniile de curent, funcționarea este perturbată foarte puțin; dacă liniile de curent sunt tăiate, se provoacă o radiație care poate fi folosită la aplicatori.

b. Ghidul coaxial permite existența modurilor TE și TM, dar modul său fundamental este TEM, care nu există decât în ghidul cu mai multe conductoare:

IV.2. Cavități rezonante

Cavitatea rezonantă reprezintă o incintă închisă cu suprafața perfect conductoare, în care ecuațiile Maxwell admit soluții nenule numai pentru anumite frecvențe particulare.

Problema admite un ansamblu de soluții distincte numite “moduri” de rezonanță care reprezintă funcțiile proprii ale ecuației. Fiecărei funcții îi corespunde o valoare proprie care va fi frecvența de rezonanță.

Prima incintă, ecuația devine:

.

În cavitatea rezonantă, unda suferă reflexii mltiple pe direcții preferențiale. Superpoziția undelor incidente și reflectate duce la o creștere a undei staționare care, pentru structuri simple, sunt foarte bine definite. Dielectricul se plasează întotdeauna acolo unde câmpul electric este maxim.

Pentru o cavitate rezonantă paralelipipedică de dimensiuni a,b,c ecuația devine:

.

Folosind metoda separării variabilelor:

Introducând soluția căutată în ecuația de mai sus obținem:

Soluția ecuațiilor obținute este de forma:

Din condițiile la limită se obține:

pentru x=0 și x=a, X=0,adică: A=0 și kx=n/a;

pentru y=0 și y=b, Y=0,adică: C=0 și ky=m/b;

pentru z=0 și z=a, Z=0,adică: F=0 și kx=p/c.

Expresia funcției de distribuție a componentei Ez va fi:

Relația este îndeplinită pentru un spectru discret de frecvențe corespunzătoare numerelor întregi n,m,p, frecvențele de rezonanță ale cavității fiind:

iar lungimile de undă de rezonanță:

CAP. V

APLICAȚIE

V.1. Determinarea puterii disipate într-un material dielectric omogen

Considerând un material omogen plasat între armăturile unui condensator plan (fig. 1) racordat la o sursă. Puterea activă disipată în corp este:

Fig. 1 Încălzirea capacitivă; a – principiul de funcționare; b – schema electrică echivalentă.

În relația de mai sus curentul capacitiv Ic are expresia:

Puterea P disipată în material poate fi scrisă sub forma:

Pentru un condensator plan:

unde A este aria suprafeței electrozilor, iar d este distanța dintre ei.

Puterea P devine:

Dacă se notează cu V volumul materialului încălzit și cu E=U/d intensitatea câmpului electric, rezultă expresia puterii P dezvoltată în întreg materialul:

respectiv puterea specifică Pv (pe unitatea de volum):

.

E este valoarea efectivă locală a câmpului electric.

Se observă faptul că puterea specifică Pv este proporțională cu factorul de pierderi

Puterea specifică disipată este deci direct proporțională cu frecvența, pătratul intensității câmpului electric și cu factorul de pierderi.

Se observă următoarele:

creșterea frecvenței este limitată de domeniul de frecvență alocat;

pentru a obține o putere specifică disipată cât mai mare este necesar a lucra cu o valoare a câmpului electic maxim posibil; pentru a evita conturnarea sau străpungerea materialului valorile câmpului electric sunt în domeniul 80 – 300 V/mm dar în multe cazuri valoarea superioră este limitată la 160 V/mm ( Umax=15 kV); în instalațiile de uscare, la care apa eliminată din material condensează pe electrozii aplicatorului se impune funcționarea cu valori ale câmpului electric din zona inferioară a domeniului.

Factorul de pierderi este o constantă de material care depinde de frecvență dar și de alți parametrii. Dacă factorul de pierderi este redus, încălzirea se face încet iar atingerea temperaturii dorite devine dificilă;

Din contră, dacă este prea mare, crește valoarea curentului electric prin material, fapt care limitează tensiunea de alimentare.

Dacă factorul de pierderi variază cu temperatura, pentru a evita supraîncălzirile locale, se poate utiliza încălzirea în impulsuri, egalizarea temperaturilor având loc în timpul pauzelor.

V.2. Determinarea timpului de încălzire

Deoarece temperaturile de încălzire sunt reduse (sub 250oC), iar timpii de încălzire foarte mici, pierderile termice sunt neglijabile. În această ipoteză, întreaga putere dezvoltată se poate considera că determină ridicarea temperaturii materialului. Se poate scrie:

unde:

c este căldura masică a materialului ;

este densitatea materialului;

este creșterea de temperatură;

Din relația de mai sus rezultă timpul de încălzire:

CONCLUZII

În cadrul lucrării de față s-a analizat problema microundelor, care au adus o importantă îmbunătățire a tehnologiei din următoarele domenii:

– industria lemnului, hârtiei și cartonului;

– industria textilă;

– industria alimentară;

– vulcanizarea cauciucului;

– polimerizarea rășinilor sintetice;

– uscarea și coacerea produselor ceramice și refractare;

– uscarea miezurilor de turnătorie;

– uscarea substanțelor de lipit;

– fabricarea lentilelor de contact;

– uscarea și sterilizarea produselor farmaceutice;

Există în lume mai mult de 20 milioane de aparate de preparare a hranei, mai ales în SUA și Japonia

Caracteristicile principale ale aparatelor de uz casnic sunt:

– puterea redusă, sub 1 kW microunde (în general de 500 – 600 W MO);

– timp de încălzire foarte rapid, de câteva minute în majoritatea cazurilor, față de zeci de minute în cazul instalațiilor de încălzire tradiționale;

– consum de energie scăzut, obținându-se o reducere a consumului cu până la 50%.

Unul dintre avantajele majore pe care le prezintă metoda încălzirii cu microunde este că la încălzirea dielectrică căldura este produsă direct în masa materialului dielectric, obținându-se o distribuție uniformă a temperaturilor. Prin această metodă se evită supraîncălzirea suprafețelor.

Utilizarea cuptoarelor cu microunde dă posibilitatea reglării temperaturii, iar timpul în care aceasta ajunge de la limita impusă inferioră, la limita superioară este de asemenea reglabil.

BIBLIOGRAFIE

Nicolae Bogoevici – Energia electromagnetică – Politehnica, Timișoara 1999

George Rulea – Bazele teoretice și experimentale ale tehnicii microundelor – Editura Științifică și Enciclopedică, București 1989

George Rulea – Tehnica frecvențelor foarte înalte – Editura Didactică și Pedagogică, București 1973

Cartianu Grigore – Semnale, circuite și sisteme – Editura Didactică și Pedagogică, București 1980

Raduleț R. – Perspective de dezvoltare a energeticii – Editura Tehnică, București 1974

Novacu V. – Introducere în electrodinamică – Editura Academiei, București 1985

Sîcev V.V. – Sisteme termodinamice complexe (traducere din rusă) – Editura Științifică și Enciclopedică, București 1982

Șora C. – Bazele electrotehnicii – Editura Didactică și Pedagogică, București 1982