El calentamiento dieléctrico , también conocido como calentamiento electrónico , calentamiento por radiofrecuencia y calentamiento de alta frecuencia , es el proceso en el que un campo eléctrico alterno de radiofrecuencia (RF), o una radiación electromagnética de ondas de radio o microondas calienta un material dieléctrico . A frecuencias más altas, este calentamiento es causado por la rotación del dipolo molecular dentro del dieléctrico.
La rotación molecular se produce en materiales que contienen moléculas polares que tienen un momento dipolar eléctrico , con la consecuencia de que se alinearán en un campo electromagnético . Si el campo oscila, como ocurre en una onda electromagnética o en un campo eléctrico que oscila rápidamente, estas moléculas giran continuamente alineándose con él. Esto se llama rotación dipolar o polarización dipolar. A medida que el campo se alterna, las moléculas invierten su dirección. Las moléculas en rotación empujan, tiran y chocan con otras moléculas (a través de fuerzas eléctricas), distribuyendo la energía a las moléculas y átomos adyacentes en el material. El proceso de transferencia de energía desde la fuente a la muestra es una forma de calentamiento radiativo.
La temperatura está relacionada con la energía cinética promedio (energía de movimiento) de los átomos o moléculas de un material, por lo que agitar las moléculas de esta manera aumenta la temperatura del material. Por tanto, la rotación dipolar es un mecanismo mediante el cual la energía en forma de radiación electromagnética puede elevar la temperatura de un objeto. También existen muchos otros mecanismos mediante los cuales se produce esta conversión. [1]
La rotación dipolar es el mecanismo normalmente denominado calentamiento dieléctrico y se observa más ampliamente en el horno microondas , donde funciona con mayor eficacia en agua líquida y también, aunque mucho menos, en grasas y azúcares . Esto se debe a que las moléculas de grasas y azúcares son mucho menos polares que las moléculas de agua y, por tanto, se ven menos afectadas por las fuerzas generadas por los campos electromagnéticos alternos. Fuera de la cocina, el efecto se puede utilizar generalmente para calentar sólidos, líquidos o gases, siempre que contengan algunos dipolos eléctricos.
El calentamiento dieléctrico implica el calentamiento de materiales eléctricamente aislantes mediante pérdidas dieléctricas . Un campo eléctrico cambiante a través del material hace que la energía se disipe a medida que las moléculas intentan alinearse con el campo eléctrico en continuo cambio. Este campo eléctrico cambiante puede ser causado por una onda electromagnética que se propaga en el espacio libre (como en un horno microondas), o puede ser causado por un campo eléctrico que se alterna rápidamente dentro de un capacitor. En el último caso, no hay una onda electromagnética que se propague libremente y el campo eléctrico cambiante puede considerarse análogo al componente eléctrico del campo cercano de una antena . En este caso, aunque el calentamiento se logra cambiando el campo eléctrico dentro de la cavidad capacitiva en frecuencias de radiofrecuencia (RF), no se generan ni absorben ondas de radio reales. En este sentido, el efecto es el análogo eléctrico directo del calentamiento por inducción magnética , que también es un efecto de campo cercano (por lo tanto, no involucra ondas de radio). [ cita necesaria ]
Se necesitan frecuencias en el rango de 10 a 100 MHz para provocar calentamiento dieléctrico, aunque las frecuencias más altas funcionan igual o mejor, y en algunos materiales (especialmente líquidos) las frecuencias más bajas también tienen efectos de calentamiento significativos, a menudo debido a mecanismos más inusuales. Por ejemplo, en líquidos conductores como el agua salada, el arrastre de iones provoca calentamiento, ya que los iones cargados son "arrastrados" más lentamente hacia adelante y hacia atrás en el líquido bajo la influencia del campo eléctrico, golpeando las moléculas del líquido en el proceso y transfiriendo energía cinética a ellos, lo que finalmente se traduce en vibraciones moleculares y, por tanto, en energía térmica. [ cita necesaria ]
El calentamiento dieléctrico a bajas frecuencias, como efecto de campo cercano, requiere una distancia del radiador electromagnético al absorbente de menos de1/2 π≈1/6de una longitud de onda. Por lo tanto, es un proceso de contacto o de casi contacto, ya que generalmente intercala el material a calentar (generalmente un no metal) entre placas metálicas que reemplazan al dieléctrico en lo que efectivamente es un capacitor muy grande . Sin embargo, el contacto eléctrico real no es necesario para calentar un dieléctrico dentro de un capacitor, ya que los campos eléctricos que se forman dentro de un capacitor sometido a un voltaje no requieren contacto eléctrico de las placas del capacitor con el material dieléctrico (no conductor) entre las placas. . Debido a que los campos eléctricos de baja frecuencia penetran materiales no conductores mucho más profundamente que las microondas, calentando bolsas de agua y organismos en las profundidades de materiales secos como la madera, se pueden usar para calentar y preparar rápidamente muchos alimentos y artículos agrícolas no conductores de electricidad, por lo que siempre que encajen entre las placas del condensador. [ cita necesaria ]
A frecuencias muy altas, la longitud de onda del campo electromagnético se vuelve más corta que la distancia entre las paredes metálicas de la cavidad calefactora o que las dimensiones de las propias paredes. Este es el caso dentro de un horno microondas . En tales casos, se forman ondas electromagnéticas de campo lejano convencionales (la cavidad ya no actúa como un condensador puro, sino más bien como una antena) y se absorben para provocar calentamiento, pero el mecanismo de deposición de calor de rotación dipolo sigue siendo el mismo. Sin embargo, las microondas no son eficientes para provocar los efectos de calentamiento de los campos de baja frecuencia que dependen de movimientos moleculares más lentos, como los causados por el arrastre de iones. [ cita necesaria ]
El calentamiento dieléctrico debe distinguirse del calentamiento Joule de medios conductores, que es causado por corrientes eléctricas inducidas en los medios. [2] Para el calentamiento dieléctrico, la densidad de potencia generada por volumen viene dada por: [2] [3]
donde ω es la frecuencia angular de la radiación excitante, ε r ″ es la parte imaginaria de la permitividad relativa compleja del material absorbente, ε 0 es la permitividad del espacio libre y E la intensidad del campo eléctrico . La parte imaginaria de la permitividad relativa (dependiente de la frecuencia) es una medida de la capacidad de un material dieléctrico para convertir la energía del campo electromagnético en calor, también llamada pérdida dieléctrica . (La parte real de la permitividad es el efecto normal de la capacitancia y da como resultado una potencia reactiva no disipativa ).
Si la conductividad σ del material es pequeña, o la frecuencia es alta, de modo que σ ≪ ωε (con ε = ε r ″ · ε 0 ), entonces el calentamiento Joule es bajo y el calentamiento dieléctrico es el mecanismo dominante de pérdida de energía. del campo electromagnético al medio.
Las frecuencias de microondas penetran materiales conductores, incluidas sustancias semisólidas como la carne y los tejidos vivos. La penetración esencialmente se detiene cuando toda la energía de microondas penetrante se ha convertido en calor en el tejido. Los hornos microondas utilizados para calentar alimentos no están configurados con la frecuencia adecuada para una absorción óptima del agua. Si lo fueran, entonces el trozo de alimento o líquido en cuestión absorbería toda la radiación de microondas en su capa exterior, lo que daría lugar a un centro frío y sin calentar y a una superficie sobrecalentada. [4] En cambio, la frecuencia seleccionada permite que la energía penetre más profundamente en los alimentos calentados. La frecuencia de un horno microondas doméstico es de 2,45 GHz, mientras que la frecuencia para una absorción óptima del agua es de unos 10 GHz.[5]
El uso de campos eléctricos de alta frecuencia para calentar materiales dieléctricos se propuso en la década de 1930. Por ejemplo, la patente estadounidense 2.147.689 (solicitud de Bell Telephone Laboratories, fechada en 1937) establece:
" Esta invención se refiere a sistemas de calentamiento de materiales dieléctricos y el objeto de la invención es calentar dichos materiales de manera uniforme y sustancialmente simultánea en toda su masa. Se ha propuesto por tanto calentar dichos materiales simultáneamente en toda su masa mediante la pérdida dieléctrica producida en " Cuando se los somete a un campo de alto voltaje y alta frecuencia " .
Esta patente proponía calentamiento por radiofrecuencia (RF) de 10 a 20 megahercios (longitud de onda de 15 a 30 metros). [6] Estas longitudes de onda eran mucho más largas que la cavidad utilizada y, por lo tanto, utilizaban efectos de campo cercano y no ondas electromagnéticas. (Los hornos microondas comerciales utilizan longitudes de onda sólo un 1% más largas).
En la agricultura, el calentamiento dieléctrico por RF se ha probado ampliamente y se utiliza cada vez más como una forma de matar plagas en ciertos cultivos alimentarios después de la cosecha, como las nueces aún con cáscara. Debido a que el calentamiento por RF puede calentar los alimentos de manera más uniforme que el calentamiento por microondas, el calentamiento por RF es prometedor como una forma de procesar alimentos rápidamente. [7]
En medicina, el calentamiento por radiofrecuencia de los tejidos corporales, llamado diatermia , se usa para la terapia muscular [8] El calentamiento a temperaturas más altas, llamado terapia de hipertermia , se usa para matar el cáncer y el tejido tumoral.
El calentamiento por radiofrecuencia se utiliza en la industria maderera para curar pegamentos utilizados en la fabricación de madera contrachapada, empalmes y construcción de muebles. El calentamiento por RF también se puede utilizar para acelerar el secado de la madera.
El calentamiento por microondas, a diferencia del calentamiento por RF, es una subcategoría del calentamiento dieléctrico a frecuencias superiores a 100 MHz, donde se puede lanzar una onda electromagnética desde un emisor de pequeñas dimensiones y guiarla a través del espacio hasta el objetivo. Los hornos microondas modernos utilizan ondas electromagnéticas con campos eléctricos de frecuencia mucho mayor y longitud de onda más corta que los calentadores de RF. Los hornos microondas domésticos típicos funcionan a 2,45 GHz , pero también existen hornos de 915 MHz . Esto significa que las longitudes de onda empleadas en el calentamiento por microondas son de 0,1 cm a 10 cm. [9] Esto proporciona un calentamiento dieléctrico altamente eficiente, pero menos penetrante. [ cita necesaria ]
Aunque se puede utilizar un conjunto de placas tipo condensador en frecuencias de microondas, no son necesarias, ya que las microondas ya están presentes como radiación EM de campo lejano y su absorción no requiere la misma proximidad a una antena pequeña como lo requiere el calentamiento por RF. . Por lo tanto, el material a calentar (un no metal) puede simplemente colocarse en el camino de las ondas y el calentamiento se realiza mediante un proceso sin contacto que no requiere placas conductoras capacitivas. [ cita necesaria ]
El calentamiento volumétrico por microondas es un método disponible comercialmente para calentar líquidos, suspensiones o sólidos en un flujo continuo a escala industrial. El calentamiento volumétrico por microondas tiene una mayor profundidad de penetración, de hasta 42 milímetros (1,7 pulgadas), lo que supone una penetración uniforme en todo el volumen del producto que fluye. Esto es ventajoso en aplicaciones comerciales donde se puede lograr una mayor vida útil, con una mayor destrucción microbiana a temperaturas entre 10 y 15 °C (18 y 27 °F) más bajas que cuando se utilizan sistemas de calefacción convencionales.
Las aplicaciones del calentamiento volumétrico por microondas incluyen:
En el secado de alimentos, el calentamiento dieléctrico suele combinarse con el calentamiento convencional. Puede usarse para precalentar el alimento en un secador de aire caliente. Al elevar rápidamente la temperatura del alimento y hacer que la humedad se mueva hacia la superficie, se puede disminuir el tiempo total de secado. El calentamiento dieléctrico se puede aplicar a mitad del ciclo de secado, cuando el alimento entra en el período de tasa decreciente. Esto puede aumentar la velocidad de secado. Si se aplica calentamiento dieléctrico cerca del final del secado con aire caliente, también se puede acortar significativamente el tiempo de secado y, por tanto, aumentar el rendimiento del secador. Es más habitual utilizar calentamiento dieléctrico en las últimas etapas del secado. Una de las principales aplicaciones del calentamiento por RF es la poscocción de galletas. Los objetivos al hornear galletas son producir un producto del tamaño, forma, color y contenido de humedad correctos. En un horno convencional, reducir el contenido de humedad al nivel deseado puede ocupar gran parte del tiempo total de horneado. La aplicación de calentamiento por RF puede acortar el tiempo de horneado. El horno está configurado para producir galletas del tamaño, forma y color correctos, pero el calentamiento por RF se utiliza para eliminar la humedad restante, sin calentar excesivamente las secciones ya secas de la galleta. [10] La capacidad de un horno se puede aumentar en más del 50% mediante el uso de calentamiento por RF. La poscocción mediante calentamiento por RF también se ha aplicado a cereales para el desayuno y alimentos para bebés a base de cereales. [11]
La calidad de los alimentos se maximiza y se conserva mejor utilizando energía electromagnética que el calentamiento convencional. El calentamiento convencional produce una gran disparidad de temperatura y tiempos de procesamiento más prolongados, lo que puede provocar un procesamiento excesivo en la superficie del alimento y un deterioro de la calidad general del producto. [12] La energía electromagnética puede alcanzar temperaturas de procesamiento más altas en tiempos más cortos, por lo tanto, se conservan más propiedades nutricionales y sensoriales. [13]
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