2.3.2. Взаимодействие микроволнового излучения с веществом

Микроволновое излучение, как любое другое электромагнитное излучение,  воздействует на электрические заряды различной природы, содержащиеся в веществе [16, 17].

Электрические заряды принято разделять на свободные и связанные. Свободные заряды – это электроны, вакансии или ионы, способные перемещаться на макроскопические расстояния. Под действием внешнего электрического поля за счет движения свободных зарядов возникают токи проводимости. Вещества, имеющие большое количество свободных зарядов, называют проводниками. Если концентрация свободных зарядов невелика, вещество называют диэлектриком.

В диэлектриках под воздействием электромагнитного поля возможны процессы смещения связанных зарядов из  равновесного состояния в пределах размеров атома, молекулы или кристаллической ячейки, что приводит к возникновению макроскопической поляризации вещества. Поляризация диэлектрика может быть вызвана деформацией электронных оболочек молекулы (электронная поляризация), смещением ионов в кристаллах с ионной связью (ионная поляризация), нарушением динамического равновесия между двумя или несколькими положениями иона в ионной решетке (тепловая ионная поляризация), ориентацией дипольных молекул в электрическом поле (ориентационная поляризация), возникновением двойного электрического слоя на границах неоднородностей (структурная поляризация). При наличии в веществе малых проводящих частиц (размер которых во много раз меньше длины волны электромагнитного излучения) возникает магнитная поляризация.

В случае высокочастотного внешнего поля разделение на свободные и связанные заряды становится очень условным, поскольку вследствие многократно повторяющегося смещения связанных зарядов от равновесных состояний в диэлектрике протекает переменный электрический ток.

При протекании токов любой природы в веществе происходит выделение тепла. Интенсивность выделения тепла зависит от электрофизических свойств материала, частоты и интенсивности приложенного поля.

В настоящее время можно достаточно точно предсказать, будет ли то или иное вещество поглощать микроволновое излучение. Хорошо поглощают вещества, которые обладают высоким значением фактора диэлектрических потерь (т.е. они должны содержать подвижные диполи с достаточно большим дипольным моментом), либо высокой электронной, дырочной или ионной проводимостью. Однако вещества с очень высокой электронной проводимостью (металлы) отражают микроволновое излучение. Хорошие изоляторы прозрачны для микроволнового поля.

Поглощательная способность веществ очень сильно зависит от температуры. Между тем для большинства веществ практически отсутствуют сведения о этой температурной зависимости, что является серьезной проблемой при использовании СВЧ-обогрева. Особенно сложно предсказать поведение веществ в микроволновом поле в случае протекания химических реакций, когда скачкообразно меняются электрофизические свойства системы.

Для обеспечения равномерности прогрева  облучаемое вещество должно обладать определенными теплофизическими свойствами, в частности, высоким значением теплопроводности. Кроме того, равномерность нагрева зависит также от геометрических размеров облучаемого вещества и правильно подобранной геометрии рабочей камеры. Чем больше частота электромагнитного излучения. тем больше мощность нагрева, но при этом увеличивается возможность локальных перегревов обрабатываемого вещества.

Таким образом, оценка возможности и целесообразности использования микроволнового нагрева, а также выбор режима осуществления этого процесса в каждом отдельном случае  требует специальных исследований.

Многие исследователи отмечают снижение временных и энергетических затрат при использовании СВЧ-излучения по сравнению с традиционными способами нагрева. Это связывают с интенсификацией массообмена в микроволновом поле в результате однородного нагрева всего объема вещества и созданием «обратного» градиента температур. Вместе с тем, в некоторых работах отмечено специфическое «нетермическое» воздействие микроволнового поля на диффузионные процессы, природа которого до сих пор является предметом активного обсуждения ученых [17].