Elektromanyetik alanın madde ile etkileşimi
Elektromanyetik spektrumda kızıl ötesi (ı.r.) ışınlar ile radyo frekanslar arasındaki bölgeye mikrodalgalar adı verilmekte olup , dalga boyları 1 cm den 1 m’ye kadar (30GHz-300MHz) değişmektedir . Radar transmisyonu ve telekomünikasyonda çokça kullanılan 1 cm ile 25 cm arasında dalga boyları bu bölgededir . ( Şekil 1)
Şekil 1. Elektromanyetik spektrum ve mikrodalga bl.
Elektromanyetik ışımanın etkisindeki bir maddenin molekül yapısı maddenin özelliği , elektromanyetik alanın frekansı gibi büyüklüklere bağlı olarak elektromanyetik alanla etkileşime girer . Maddenin yapısı , serbest veya moleküllere bağlı elektriksel yükler ihtiva edebilir . Yüklerin veya partiküllerin hareketi ile moleküller dipol momentler meydana gelir . Serbest yükler durumunda “elektro indüksiyon ” meydana gelir . Yüklü partiküller veya yükler , serbest değil moleküle bağlı olarak hareket ediyorsa “dielektrik polarizasyon" meydana gelir . Yüksek frekanslı bir elektromanyetik alanın etkisiyle bir maddenin ısınmasının temeli , elektrik alanın yüklü partiküllere kuvvet tatbik etmesine dayanmaktadır . Maddedeki akım ve kaybolan (ısıya dönüşen) güç :
∂D
I = σ E +
∂t
= [ (σ + wε’’) + jwε’ ] E
P = ½ ( σ+wε’’) E E* => ½ σ E E* “ indüksiyon olayı ”
=> ½ w ε’’ E E* “ dielektrik polarizasyon olayı “ (1)
Şekil 2. Dielektrik polarizasyon
Polar moleküllü bir madde (su gibi) yüksek frekanslı bir e.m. alana maruz kalınca moleküller dipol momentler E alanına titreşimlerine ayak uydurmaya çalışırlar . Yüksek frekanslarda , bu “ayak uydurma” mümkün olmaz ve relakzasyon zamanı farklı olduğundan molekülerler dipoller yüksek hızda titreşime zorlanır ve bunun sonucu olarak e.m. alandan madde ısı geçişi oluşur . Madede ısıya dönüşen güç P:
P = 2 π f ε0 ε’’ IEI2 V (2)
olarak verilir . Burada , f frekansı , ε0 dielektrik sabiti , ε’’ dielektrik sabitinin sanal kısmı , E elektrik alanı ve V hacmi göstermektedir.
Yüksek frekanslı E.M. enerjinin endüstriyel uygulamaları
Elektrik ve ısı iletimi zayıf olan (kauçuk , polimer maddeler) bir polar madde bir yüksek frekanslı bir e.m. alanın etkisine girdiğinde elektromanyetik enerji ısıya dönüşür. Enerji dönüşümü , indüksiyonda magnetik alan (H) ve RF ve mikrodalgada ise elektrik (E) alanı vasıtasıyla gerçekleşir . Enerji dönüşümü, uzaktan ışıma yolu ile içten oluşmaktadır. Yüksek frekanslı e.m. enerjinin ısıya dönüşümünün malzemenin ısı iletkenliğinden bağımsız ve bütün hacimde hızlı ve ataletsiz oluşması bir çok endüstriyel işlemlerde kullanımını önemli kılmaktadır. Örneğin kauçuk ve polimerlerde, tekstilde, gıdada, kimyada, seramik, deri…. özellikle gıda endüstrisinde kurutma, vulkanizasyon, polimerizasyon, eritme, sinterleme, koyulaştırma, pişirme, haşlama, pastorizasyon, sterilizasyon... işlemleri için çok kullanılmaktadır. Bir endüstriyel uygulamanın genel yapısı Şekil 3’te gösterilmiştir .
Şekil 3 . bir endüstriyel MW uygulamanın genel yapısı
1-Dalga kılavuzu (WR340-WR975)
2-Sirkülatör
3-Yönlü kuplör
4-Rezanatör
5-Mikrodalga jenaratör (magnetron)
6-Ark dedektörü
7-Güç kaynağı (beslenme kaynağı)
8-Su yükü (water load)
9-Mikrokontrol (PC,I)
Sütün mikrodalga enerjisi ile pastorizasyonu
Mikrodalga enerjisinin gıda endüstrisindeki bir tipik uygulaması olarak ,sütün mikrodalga enerjisi ile pastörize edilmesi prosesini alalım . Bu çalışma bir proje olarak geliştirilmiş ve 2004 EMO yaratıcılık ödülünü almıştır.
Şekil 4. Sütün mikrodalga ile pastorizasyonu
Sütü pastorize etmek için silindirik ve TM010 modunda uyarılmış bir rezonatör kullanılmıştır. Rezonatörün merkezinden geçen süt mikrodalga (cavity) enerjisine maruz kalarak ısınır. Rezonatör MW generatörü beslenmektedir . Sistemin optimum çalışması için generatör ile rezonatör arasında empedans uygunluğu sağlanması gerekmektedir . Sistemi bir mikro işlemci (µI) ile kontrol etmek ve böylece sütün miktarı , sıcaklığı ve optimum rezonatör koşulları saglanır .
Bazı endüstriyel uygulamalar
Tekstil sanayi örneğin iplik bobinleri kurutmak için geliştirilen RF kurutucusu şekil 5 de verilmiştir.(f=27MHz)
Şekil 5. RF bobin kurutucusu
İnce levha şeklinde malzemeleri (kağıt,tekstil…sanayi) mikrodalga enerjisi ile işlemek için şematik olarak gösterilen mikrodalga applikatör gösterilmiştir.(şekil 6)f=2450 MHz.
Şekil 6. Endüstriyel mW applikatörü
KAYNAKLAR
[1] OKRESS E.C., “ Microwave Power Engineering “, Acedemic Press, New York & London, 1968.
[2] PLATSS J., “ Microwave Ovens “, Peter Pergrinus Ltd, London UK, 1991.
[3] METAXAS A.C. & MEREDİTH R.J., “Industrial Microwave Heating (2nd ad), Peter Pergrinus Ltd, London UK, 1993.