苏晓峰等：微波加热金属液体的实验研究 ·1589· 铁在熔化后失去磁性，其磁导率为真空磁导率 铜液吸波的机理可能存在下列四种方式 4π×107Hm,微波场频率为2.45GHz,根据式(2) (1)电子与原子核碰撞.在微波场的作用下， 计算得出液态铁在微波场内的趋肤深度为11.98um. 铁液和铜液内部的自由电子会发生定向移动.由 铜熔化后电阻率为21.2u2cm,相应的电导率为 于液态金属内部原子核的振动频率为固态金属的 47.2×10Sm,铜可以近似看做没有磁性，其磁导 几百万倍)，电子在定向移动的过程中与原子产 率为真空磁导率4π×10-？Hm,微波场频率为 生更多的碰撞，导致损耗的产生，从而使液态金属 2.45GHz.根据式(2)计算液态铜在微波场内的趋 能吸收微波 肤深度为4.68um.与常温下固态铁和铜的趋肤深 (2)表面快速更新.液态金属具有流动性，内 度(0.18~0.26um和1.32μm相比，微波在金属液 部原子处于短程有序、长程无序的状态，金属原子 中的趋肤深度显著增加，微波加热效果得到增强 移动一个原子间距(~0.3nm)的时间为101ls,超 3.2微波加热金属液体的机理 过这个时间时，金属原子短程有序的结构就遭到 微波场在物质内部的损耗机制根据其内部带 了破坏，随着金属原子及原子团的热运动，铁液 电粒子在微波场内的运动形式分为磁损耗、介电 内部的原子集团和游离原子会不断与表层原子更 损耗和电导损耗.铁液与铜液为电导率较高和无 换位置，轮流出现在液态金属表面吸收微波能，使 磁性的非电介质，带电粒子在铁液和铜液中的损 得液态金属吸波能力上升 耗机制主要为电阻型损耗. (3)内部缺陷阻碍电子运动.铁液与铜液可以 金属液内部含有大量能自由运动的带电粒子 看作是游动原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂 金属内部的自由带电粒子在外加电场和磁场的作 质和气泡组成的液体.常温下，金属介质的吸波性 用下将发生定向运动而形成电流和涡流，电流和 能和电阻率有关，金属内部缺陷引起的电子散射 涡流统称为传导电流.传导电流密度J与电场强 是产生电阻的主要原因啊当微波入射到液态金 度E的关系与媒质特性有关，二者的关系为 属内部时，电子产生定向运动，由于液态金属中缺 J=gE (3) 陷和空穴的增多，导致更多的电子产生散射现象， 式中：J为传导电流密度，Am2;E为电场强度， 液体金属的吸收微波能力得到提升， V.m (4)原子的运动及碰撞.液态金属内部存在有 电场使金属中的带电粒子运动，而带电粒子 大量的原子集团和游离原子.固态情况下，金属原 在运动过程中产生的能量损耗被称为电阻型损 子核被固定在品格内部不能自由移动.液态情况 耗.根据电功率的定义，可计算体积为V的金属内 下，金属内部处于长程无序状态，原子集团和游离 微波的的损耗功率Pcom为： 原子在交变电磁场的作用下，与自由电子一般，随 Pom=nJ小.Edv=∫E2dw 着电磁场方向的变化而产生定向移动，由于液态 (4) 金属热振动剧烈，移动过程中将会产生更多的碰 根据式(4)表征的导电媒介的传导特性可知， 撞，使得原子运动加剧，能量损耗增加，温度上升 在金属体积一定的情况下，电导损耗功率与金属 4结论 的电导率和电场强度的平方成正比.当微波加热 功率不发生改变时，电场强度可以看作定值，金属 (1)液态金属可以吸收微波，并被微波直接加 在微波场内的电导损耗仅与金属自身电导率有 热，升温速度较快；本研究条件下，1000g铁液和 关.金属液具有较好的导电性，因此电导损耗较为 铜液的升温速度与间接加热升温速度相近 明显，电导损耗是微波加热液态金属的主要作用 (2)液态金属升温速度与微波加热的功率近 机制. 似呈线性关系，升温速度随微波功率增大而增加 从微观角度分析，铁液与铜液存在大量游离 在相同微波直接加热条件下，同等质量的铜液和 的原子和原子集团，游离原子和原子集团相互之 铁液的升温速度相近 间还存在相互转换，一直会有原子从原子集团中 (3)铁液质量对微波加热效果的影响较为复 脱离出来，也有游离原子加入原子集团2由于温 杂，并没有呈现出显著的线性关系，表明不同质量 度较高，铁液和铜液中的原子振动较固态铁和铜 金属液加热时，其表面积、微波场强分布等存在 剧烈，同时内部的原子及原子团还可较自由移动， 差异 尤其在微波场作用下.基于这种微观结构，铁液和 (4)微波在铁液和铜液内部的趋肤深度显著铁在熔化后失去磁性 ，其磁导率为真空磁导率 4π×10−7 H·m−1，微波场频率为 2.45 GHz，根据式（2） 计算得出液态铁在微波场内的趋肤深度为 11.98 μm. 铜熔化后电阻率为 21.2 μΩ·cm，相应的电导率为 47.2×105 S·m−1，铜可以近似看做没有磁性，其磁导 率为真空磁导 率 4π×10−7 H·m−1，微波场频率为 2.45 GHz，根据式（2）计算液态铜在微波场内的趋 肤深度为 4.68 μm. 与常温下固态铁和铜的趋肤深 度（0.18～0.26 μm 和 1.32 μm）相比，微波在金属液 中的趋肤深度显著增加，微波加热效果得到增强. 3.2    微波加热金属液体的机理 微波场在物质内部的损耗机制根据其内部带 电粒子在微波场内的运动形式分为磁损耗、介电 损耗和电导损耗. 铁液与铜液为电导率较高和无 磁性的非电介质，带电粒子在铁液和铜液中的损 耗机制主要为电阻型损耗. 金属液内部含有大量能自由运动的带电粒子. 金属内部的自由带电粒子在外加电场和磁场的作 用下将发生定向运动而形成电流和涡流，电流和 涡流统称为传导电流. 传导电流密度 J 与电场强 度 E 的关系与媒质特性有关，二者的关系为 J = σE （3） 式中： J 为传导电流密度，A·m−2 ；E 为电场强度， V·m−1 . 电场使金属中的带电粒子运动，而带电粒子 在运动过程中产生的能量损耗被称为电阻型损 耗. 根据电功率的定义，可计算体积为 V 的金属内 微波的的损耗功率 Pcon 为： Pcon = w V J · Edv = w V σE 2 dv （4） 根据式（4）表征的导电媒介的传导特性可知， 在金属体积一定的情况下，电导损耗功率与金属 的电导率和电场强度的平方成正比. 当微波加热 功率不发生改变时，电场强度可以看作定值，金属 在微波场内的电导损耗仅与金属自身电导率有 关. 金属液具有较好的导电性，因此电导损耗较为 明显，电导损耗是微波加热液态金属的主要作用 机制. 从微观角度分析，铁液与铜液存在大量游离 的原子和原子集团，游离原子和原子集团相互之 间还存在相互转换，一直会有原子从原子集团中 脱离出来，也有游离原子加入原子集团[12] . 由于温 度较高，铁液和铜液中的原子振动较固态铁和铜 剧烈，同时内部的原子及原子团还可较自由移动， 尤其在微波场作用下. 基于这种微观结构，铁液和 铜液吸波的机理可能存在下列四种方式. （1）电子与原子核碰撞. 在微波场的作用下， 铁液和铜液内部的自由电子会发生定向移动. 由 于液态金属内部原子核的振动频率为固态金属的 几百万倍[13] ，电子在定向移动的过程中与原子产 生更多的碰撞，导致损耗的产生，从而使液态金属 能吸收微波. （2）表面快速更新. 液态金属具有流动性，内 部原子处于短程有序、长程无序的状态，金属原子 移动一个原子间距（～0.3 nm）的时间为 10–11 s，超 过这个时间时，金属原子短程有序的结构就遭到 了破坏[14] ，随着金属原子及原子团的热运动，铁液 内部的原子集团和游离原子会不断与表层原子更 换位置，轮流出现在液态金属表面吸收微波能，使 得液态金属吸波能力上升. （3）内部缺陷阻碍电子运动. 铁液与铜液可以 看作是游动原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂 质和气泡组成的液体. 常温下，金属介质的吸波性 能和电阻率有关，金属内部缺陷引起的电子散射 是产生电阻的主要原因[15] . 当微波入射到液态金 属内部时，电子产生定向运动，由于液态金属中缺 陷和空穴的增多，导致更多的电子产生散射现象， 液体金属的吸收微波能力得到提升. （4）原子的运动及碰撞. 液态金属内部存在有 大量的原子集团和游离原子. 固态情况下，金属原 子核被固定在晶格内部不能自由移动. 液态情况 下，金属内部处于长程无序状态，原子集团和游离 原子在交变电磁场的作用下，与自由电子一般，随 着电磁场方向的变化而产生定向移动，由于液态 金属热振动剧烈，移动过程中将会产生更多的碰 撞，使得原子运动加剧，能量损耗增加，温度上升. 4    结论 （1）液态金属可以吸收微波，并被微波直接加 热，升温速度较快；本研究条件下，1000 g 铁液和 铜液的升温速度与间接加热升温速度相近. （2）液态金属升温速度与微波加热的功率近 似呈线性关系，升温速度随微波功率增大而增加. 在相同微波直接加热条件下，同等质量的铜液和 铁液的升温速度相近. （3）铁液质量对微波加热效果的影响较为复 杂，并没有呈现出显著的线性关系，表明不同质量 金属液加热时，其表面积、微波场强分布等存在 差异. （4）微波在铁液和铜液内部的趋肤深度显著 苏晓峰等： 微波加热金属液体的实验研究 · 1589 ·