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 ·