El calentamiento dieléctrico , también conocido como calentamiento electrónico , calentamiento por radiofrecuencia y calentamiento por 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 de dipolos moleculares 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 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 alterna, las moléculas invierten su dirección. Las moléculas que giran 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 media (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 lo tanto, la rotación dipolar es un mecanismo por el cual la energía en forma de radiación electromagnética puede aumentar la temperatura de un objeto. También existen muchos otros mecanismos por los cuales se produce esta conversión. [1]
La rotación dipolar es el mecanismo al que normalmente se hace referencia como 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 lo tanto, se ven menos afectadas por las fuerzas generadas por los campos electromagnéticos alternos. Fuera de la cocina, el efecto se puede utilizar en general para calentar sólidos, líquidos o gases, siempre que contengan algunos dipolos eléctricos.
El calentamiento dieléctrico implica el calentamiento de materiales eléctricamente aislantes por pérdida dieléctrica . 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 que cambia continuamente. 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 altera rápidamente dentro de un condensador. En el último caso, no hay una onda electromagnética que se propague libremente, y el campo eléctrico cambiante puede verse como análogo al componente eléctrico de un campo cercano de antena . En este caso, aunque el calentamiento se logra cambiando el campo eléctrico dentro de la cavidad capacitiva a 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). [2]
Las frecuencias en el rango de 10 a 100 MHz son necesarias para provocar un calentamiento dieléctrico, aunque las frecuencias más altas funcionan igual de bien 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 de un lado a otro en el líquido bajo la influencia del campo eléctrico, golpeando moléculas de líquido en el proceso y transfiriéndoles energía cinética, que finalmente se traduce en vibraciones moleculares y, por lo tanto, en energía térmica. [ cita requerida ]
El calentamiento dieléctrico a bajas frecuencias, como efecto de campo cercano, requiere una distancia desde el radiador electromagnético hasta el absorbedor de menos de 1/2π ≈ 1/6 de una longitud de onda. Por lo tanto, se trata de un proceso de contacto o de casi contacto, ya que normalmente se intercala el material que se va a calentar (normalmente un no metal) entre placas metálicas que sustituyen al dieléctrico en lo que es efectivamente un condensador muy grande . Sin embargo, el contacto eléctrico real no es necesario para calentar un dieléctrico dentro de un condensador, ya que los campos eléctricos que se forman dentro de un condensador sometido a un voltaje no requieren contacto eléctrico de las placas del condensador con el material dieléctrico (no conductor) entre las placas. Debido a que los campos eléctricos de menor frecuencia penetran los materiales no conductores mucho más profundamente que las microondas, calentando bolsas de agua y organismos en el interior de materiales secos como la madera, se puede utilizar para calentar y preparar rápidamente muchos alimentos y productos agrícolas no conductores de electricidad, siempre que quepan entre las placas del condensador. [ cita requerida ]
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 de calentamiento, 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 como una antena), y se absorben para causar calentamiento, pero el mecanismo de rotación dipolar de deposición de calor sigue siendo el mismo. Sin embargo, las microondas no son eficientes para causar los efectos de calentamiento de los campos de baja frecuencia que dependen de un movimiento molecular más lento, como los causados por el arrastre de iones. [ cita requerida ]
El calentamiento dieléctrico debe distinguirse del calentamiento Joule de los medios conductores, que es causado por corrientes eléctricas inducidas en los medios. [3] Para el calentamiento dieléctrico, la densidad de potencia generada por volumen viene dada por: [3] [4]
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 en el medio.
Las frecuencias de microondas penetran en los materiales conductores, incluidas las sustancias semisólidas como la carne y los tejidos vivos. La penetración se detiene básicamente cuando toda la energía de microondas penetrante se ha convertido en calor en el tejido. Los hornos microondas que se utilizan para calentar alimentos no están configurados con la frecuencia para una absorción óptima por el agua. Si así fuera, el alimento o el líquido en cuestión absorberían 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. [5] En cambio, la frecuencia seleccionada permite que la energía penetre más profundamente en el alimento calentado. La frecuencia de un horno microondas doméstico es de 2,45 GHz, mientras que la frecuencia para una absorción óptima por el agua es de alrededor de 10 GHz. [6]
El uso de campos eléctricos de alta frecuencia para calentar materiales dieléctricos se había propuesto en la década de 1930. Por ejemplo, la patente estadounidense 2.147.689 (solicitud de Bell Telephone Laboratories, fechada en 1937) establece:
" La presente 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 que se produce en ellos cuando se les somete a un campo de alta tensión y alta frecuencia. "
Esta patente proponía un calentamiento por radiofrecuencia (RF) de 10 a 20 megahercios (longitud de onda de 15 a 30 metros). [7] 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 de solo el 1 % de la longitud).
En la agricultura, el calentamiento dieléctrico por radiofrecuencia 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 todavía con cáscara. Debido a que el calentamiento por radiofrecuencia puede calentar los alimentos de manera más uniforme que el calentamiento por microondas, el calentamiento por radiofrecuencia es una forma prometedora de procesar los alimentos rápidamente. [8]
En medicina, el calentamiento por radiofrecuencia de los tejidos corporales, llamado diatermia , se utiliza para la terapia muscular [9]. El calentamiento a temperaturas más altas, llamado terapia de hipertermia , se utiliza para matar el tejido canceroso y tumoral.
El calentamiento por radiofrecuencia se utiliza en la industria maderera para curar los pegamentos que se utilizan en la fabricación de madera contrachapada, el ensamblaje de piezas y la construcción de muebles. El calentamiento por radiofrecuencia 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, en la que 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 más alta 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. [10] Esto proporciona un calentamiento dieléctrico altamente eficiente, pero menos penetrante. [ cita requerida ]
Aunque se puede utilizar un conjunto de placas similares a un condensador en frecuencias de microondas, no son necesarias, ya que las microondas ya están presentes como radiación electromagnética de tipo campo lejano y su absorción no requiere la misma proximidad a una antena pequeña que el calentamiento por radiofrecuencia. Por lo tanto, el material que se va a calentar (un no metal) se puede colocar simplemente en el camino de las ondas y el calentamiento se produce en un proceso sin contacto que no requiere placas conductoras capacitivas. [ cita requerida ]
El calentamiento volumétrico por microondas es un método comercialmente disponible 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 resulta ventajoso en aplicaciones comerciales en las que se puede lograr una mayor vida útil, con una mayor eliminación de microbios a temperaturas entre 10 y 15 °C (18 y 27 °F) más bajas que cuando se utilizan sistemas de calentamiento convencionales.
Las aplicaciones del calentamiento volumétrico por microondas incluyen:
En el secado de alimentos, el calentamiento dieléctrico se suele combinar con el calentamiento convencional. Puede utilizarse para precalentar el alimento en un secador de aire caliente. Al elevar rápidamente la temperatura del alimento y hacer que la humedad se desplace a la superficie, puede reducirse el tiempo total de secado. El calentamiento dieléctrico puede aplicarse a mitad del ciclo de secado, cuando el alimento entra en el período de velocidad decreciente. Esto puede aumentar la velocidad de secado. Si se aplica el calentamiento dieléctrico cerca del final del secado con aire caliente, también puede acortar significativamente el tiempo de secado y, por lo tanto, aumentar el rendimiento del secador. Es más habitual utilizar el calentamiento dieléctrico en las últimas etapas del secado. Una de las principales aplicaciones del calentamiento por radiofrecuencia es en el poshorneado de galletas. Los objetivos al hornear galletas son producir un producto del tamaño, la forma, el color y el contenido de humedad adecuados. En un horno convencional, reducir el contenido de humedad al nivel deseado puede ocupar una gran parte del tiempo total de horneado. La aplicación del calentamiento por radiofrecuencia puede acortar el tiempo de horneado. El horno está configurado para producir galletas del tamaño, la forma y el color adecuados, pero el calentamiento por radiofrecuencia se utiliza para eliminar la humedad restante, sin calentar excesivamente las secciones ya secas de la galleta. [11] La capacidad de un horno se puede aumentar en más del 50 % mediante el uso del calentamiento por radiofrecuencia. El horneado posterior mediante calentamiento por radiofrecuencia también se ha aplicado a los cereales para el desayuno y a los alimentos para bebés a base de cereales. [12]
La calidad de los alimentos se maximiza y se conserva mejor utilizando energía electromagnética que el calentamiento convencional. El calentamiento convencional da como resultado una gran disparidad en la temperatura y tiempos de procesamiento más largos, lo que puede causar un procesamiento excesivo en la superficie de los alimentos y un deterioro de la calidad general del producto. [13] La energía electromagnética puede lograr temperaturas de procesamiento más altas en tiempos más cortos, por lo tanto, se conservan más propiedades nutricionales y sensoriales. [14]
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