Eindringtiefe

Eindringtiefe

Treffen die Mikrowellen einseitig auf das Erwärmungsgut und werden im Gut absorbiert, so nimmt die Volumenleistungsdichte von der Oberfläche nach innen exponentiell ab. Das vom Skineffekt bekannte Eindringmaß wird auch hier verwendet, um die Tiefe zu kennzeichnen, in der die Volumenleistungsdichte auf 37 % ihres Anfangswertes an der Oberfläche abgesunken ist. Das Eindringmaß der Mikrowellenleistung berechnet sich nach folgender Gleichung: Nach Gleichung (2) ist das Eindringmaß umso kleiner und damit das Absorptionsvermögen umso höher, je höher der Verlustwert ist und umgekehrt.

Eindringtiefe

Die Eindringtiefe berechnet sich mit:

f = Frequenz in Hz
εO = absolute Dielektrizitätskonstante (DK) = 8,85x10-12 As/Vm
с = 3x1010cm/s Lichtgeschwindigkeit
Ε = Betrag der Feldstärke des elektrischen Wechselfeldes in V/m
ε = εO * ( εr’ - j εr’’ ), komplexe DK
tan δ = εr’’/εr
δ = dielektrischerVerlustwinkel in Grad
λ0 = Wellenlänge in cm, λ0 =c / f

In Tabelle 1 sind für verschiedene Stoffe Werte des Eindringmaßes angegeben. Es ist zu beachten, dass in der Literatur verschiedentlich das Eindringmaß der elektrischen Feldstärke angegeben wird, dessen Wert doppelt so hoch ist.

Material Temperatur in °C Eindringtiefe in cm
Wasser 45 1,4
Wasser 95 5,7
Eis -12 1100
Brot 25 2 ... 5
Kartoffel , roh 25 0,9
Kartoffelbrei 25 0,8
Erbsen, Möhren 25 1
Fleisch 25 0,9 ... 1,2
Papier, Pappe 25 20 ... 60
Holz 25 8 ... 350
Naturkautschuk 25 15 ... 350
Hohlglas 25 35
Porzellan 25 56
Polyvinylchlorid20 20 210
Epoxydharz (Araldit CN-501) 25 4100
Teflon 25 9200
Quarzglas 25 16000

Tabelle 1. Eindringtiefen für ausgewählte Produkte bei 2450MHz.

Bei den meisten Erwärmungsaufgaben ist das Eindringmaß ausreichend groß. Bei Produkten mit großen Abmessungen und hohem Verlustwert kann es gelegentlich vorkommen, dass nur eine mehr oder weniger dicke Randschicht erwärmt wird. In diesem Fall muss - um eine Überhitzung der Randschicht zu vermeiden - die Leistungsdichte so angepasst werden, dass für einen ausreichenden Wärmeausgleich zwischen Randschicht und Kern Zeit gegeben ist.

Wenn die Dicke des Erwärmungsgutes wesentlich kleiner als das Eindringmaß ist, so bedeutet dies, dass nur ein Bruchteil der eingestrahlten Energie absorbiert wird. Das gilt aber nur, wenn die nicht absorbierte Energie nach Austritt aus dem Erwärmungsgut frei abgestrahlt wird.

Der nicht absorbierte Strahlungsanteil wird jedoch an denmetallischen Wänden des Applikationsraumes reflektiert und durchläuft das Material solange bis die gesamte Energie absorbiert ist.

Die bei Mikrowellenerwärmung üblichen Leistungsdichten erfordern entsprechende Feldstärkewerte im Applikationsraum. Diese sind unter atmosphärischen Bedingungen im Allgemeinen um Größenordnungen von der Durchbruchfeldstärke trockner Luft (30 kV/cm) entfernt. Bei Vakuumanwendungen oder bei sehr feuchter Luft im Applikationsraum muss allerdings die elektrische Feldstärke so begrenzt werden, dass noch keine wesentliche Ionisation auftritt.