Transcript Mikrovlny a voda

Fyzikální seminář
14.4.2011
Matej Hrabuša
Mikrovlny
 Mikrovlny – elektromagnetické vlny
 Použitie:
 Varenie – mikrovlnné rúry
 Komunikácia – Rádio, Satelit, Radar
 Medicína
 Astronómia
 Frekvencia (vlnová dĺžka):
 od 300 MHz (=1m) do 300 GHz (=1mm)
 „mikro“ v názve neznamená m
 Mikrovlnné rúry pracujú s frekvenciou 2,45 GHz (=12,23 cm)
Mikrovlnná
rúra
 Mechanizmus
 Elektrický prúd prúdi cez poistky a bezpečnostný mechanizmus do




ovládača
Keď sa ovládač spustí, aktivuje sa triac (polovodičový spínač), ktorý
pošle energiu do vysokonapäťového transformátora (3000-4000 V)
Magnetron transformuje vysoké napätie na elmag. energiu
Vlnovod usmerní mikrovlny do varnej komory
Lopatkový miešač rozdeľuje mikrovlny rovnomerne
Molekula vody v elmag. poli
 Dipól vody sa snaží neustále reorientovať sa
v oscilujúcom elektrickom poli elmag. radiácie
Oscilujúce elektrické pole
čas
Dielektrická konštanta
 Dielektrickú konštantu vyjadríme vo forme komplexného čísla:
 kde
je schopnosť materiálu byť polarizovaný externým El.
poľom, =faktor straty kvantifikuje efektívnosť s ktorou je elmag energia premenená na teplo
 Táto rovnice môže byť vizualizovaná nasledovne: celkový prúd je
suma vektorov nabíjacieho prúdu a straty prúdu, uhol ako
fázový rozdiel (posun) medzi elektrickým poľom a výslednou
polarizáciou materiálu.
Dielektrická permitivita
 Diagram: Dielektrická permitivita a dielektrické straty vody
medzi 0°C a 100°C – šípky indikujú efekt zvyšujúcej sa teploty 
zvyšujúcej sa aktivity vody
 So zvyšujúcou sa teplotou sa pevnosť a rozsah vodíkových väzieb
znižuje
 Tým sa znižuje statická a optická dielektrická permitivita
 Uľahčuje sa pohyb dipólov a umožňuje molekulám vody oscilovať vo
vyšších frekvenciách
 Redukuje sa unášanie k rotácii molekúl vody, tým sa redukuje trenie a tým
dielektrické straty
Dielektrická permitivita
 Cole-Cole diagram znázorňuje – dielektrickú permitivitu verzus
dielektrické straty.
 Červené čiary znázorňujú vplyv teploty (odstupňované po 20° od
0°do 100°C), kým modré čiary znázorňujú zmenu s teplotou pri
rovnakej vlnovej dĺžke (1,3-201 GHz)
 Pre porovnanie čiarkovaná čiara znázorňuje čistý ľad (omnoho
nižšie frekvencie).
 Diagram:
 Zmena dielektrických vlastností s teplotou- maximum
dosiahne pri konštantnej frekvencii
 Derivácia funkcie pre čistú vodu;
rozsah teplôt -20°C ~ +40°C, extrapolované (čiarkovaná
čiara) indikuje trend
 Faktor dielektrickej straty (Lf) sa zvyšuje na maximálnu
hodnotu pri kritickej frekvencii s
Vplyv soli
 Rozpustená soľ znižuje hodnotu dielektrickej
konštanty v závislosti od koncentrácie (c) a
priemerného hydratačného čísla individuálnych
iónov (HN)
 Soľ znižuje prirodzenú štruktúru vody  redukuje
statickú dielektrickú permitivitu  zvyšuje
teplotu
 Pri nižších frekvenciách ióny sú schopné reagovať
a pohybujú sa so zmenou potenciálu  tým
produkujú teplo trením a zvyšujú faktor straty (Lf)
Vplyv soli
 Dielektrikum a dielektrické straty v roztoku soli medzi 0°C a 100°C
(plné čiary – čistá voda, čiarkované- roztok soli); šípky indikujú efekt
zvyšujúcej sa teploty
 Diagram:
 Derivácia rovnice pre roztok soli: 10 parts per thousand
w/w (ppt) salinity for the range fv rozsahu -20°C ~
+40°C;
 extrapolované (čiarkovaná čiara) indikuje trend
 Diagram:
 Derivácia rovnice pri 2.45 GHz (typická frekvencia mikrovlnnej
rúry) for rozdielne koncentrácie roztoku soli (parts per thousand
w/w (ppt) salinity)
 Rozsah -20°C ~ +40°C; extrapolované (čiarkovaná čiara) indikuje
trend
Ľad
 Ľad má kritickú frekvenciu (s) pri cca 10 MHz so
zvýšenou statickou dielektrickou permitivitou.
 Pri oveľa vyšších frekvenciách mikrovlnnej rúry má ľad
nízku dielektrickú permitivitu a neabsorbuje takmer
žiadnu energiu
 Môžeme pozorovať pri rozmrazovaní  čiastočne
roztopený materiál sa zohrieva rýchlo, kým
neroztopený zostane zmrznutý
Zdroje
 http://www.lsbu.ac.uk/water/microwave.html
 http://www.thenakedscientists.com/HTML/content/k
itchenscience/exp/-324719c1f8/
 http://www.cheminst.ca/index.php?ci_id=2325&la_id=
1
 http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/h2o.h
tml
Ďakujem Vám za pozornosť
a Ing. Svobodovi za pomoc pri
príprave experimentu