Características das micro-ondas

Micro-ondas são ondas eletromagnéticas, em outras palavras, são oscilações de campos elétricos e magnéticos associados, que regidas pelas equações de Maxwell se propagam no espaço com velocidade no vácuo de 𝑐 = 3𝑥108 _{𝑚 𝑠⁄ .}

As micro-ondas correspondem a fração do espectro eletromagnético com comprimento de onda de 1 milímetro até 1000 milímetros (Figura 2.1), em termos de frequência, corresponde a fração do espectro eletromagnético de 300 MHz até 300 GHz. As micro-ondas são amplamente utilizadas no setor de telecomunicações, sendo assim, para evitar interferências nas bandas de frequências utilizadas para telecomunicações, as bandas utilizadas em aplicações eletrotérmicas são restritas. As frequências mais usadas são de 915 ± 25 MHz e de 2.450 ± 50 MHz, correspondendo aos comprimentos de ondas de 328 mm e 122,5 mm no vácuo, respectivamente (SENISE, 1985).

De acordo com a interação das micro-ondas com os materiais, materiais podem ser divididos em três grupos. O primeiro grupo é formado pelos materiais que refletem toda a energia de micro-ondas incidente sobre sua superfície, de maneira geral, são materiais condutores elétricos. O segundo grupo é formado pelos materiais que não interagem com a energia de micro-ondas, não absorvem e nem refletem, dessa forma, esses materiais são transparentes a micro-ondas. O terceiro grupo é formado por

materiais que absorvem em certo grau a energia de micro-ondas e a transformam em calor, a intensidade da interação entre a energia de micro-ondas e o material depende de suas propriedades dielétricas.

Figura 2.1. Diagrama ilustrativo do espectro eletromagnético desde as ondas de

rádio até os raios gama

(https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagn%C3%A9tico, acessado em setembro de 2018).

Um equipamento completo para aplicações eletrotérmicas de micro-ondas, de maneira geral, é composto por três componentes principais. O primeiro componente é a fontes de micro-ondas, o segundo componente é o aplicador de micro-ondas e o terceiro é a linha de transmissão.

• Geração de micro-ondas: fontes de micro-ondas utilizam tubos de elétrons ou tubos de vácuo, como os Magnetrons (Figura 2.2), que são capazes de converter energia elétrica de frequência industrial (60 Hz) em energia eletromagnética de micro-ondas (por exemplo, 915 ± 25 MHz);

Figura 2.2. Magnetron típico utilizado em aplicações eletrotérmicas (http://www.hokuto.co.jp/eng/products/magnetron/list.htm, acessado em setembro de 2018).

• Transmissão (guia de onda): são estruturas metálicas, tradicionalmente feitas com alumínio, cobre ou aço inox e sua função primária é guiar a direção e sentido de ondas eletromagnéticas ou sonoras que propagam em seu interior (Figura 2.3). A geometria das seções das guias de onda podem ser circulares ou retangulares e devem restringir a expansão das ondas em apenas uma ou duas dimensões, com a finalidade de minimizar as perdas de energia durante a propagação das ondas. Durante a propagação das ondas no interior do guia, elas são refletidas nas paredes metálicas do guia de onda, resultando em interferências destrutivas e construtivas entre campos elétricos e magnéticos incidentes e refletidos, dessa forma há uma distribuição de campos elétricos nulos nas paredes do guia e de maior intensidade no centro geométrico.

Figura 2.3. Guia de onda típica utilizada em fornos de micro-ondas (https://xhwb.en.alibaba.com/product/60390304891-

802057244/manufacturers_of_rectangular_waveguide_for_1000w_1500w_microwav e_magnetron_WR_340.html, acessado em setembro de 2018).

• Aplicadores de micro-ondas: usualmente denominado cavidade ressonante, trata-se de um volume delimitado por paredes metálicas, onde no seu interior materiais são iluminados por energia de micro-ondas. No interior da cavidade ressonante, o campo elétrico gerado refletirá inúmeras vezes nas paredes metálicas, provocando a interação entre os campos incidentes e refletidos, a interação entre os campos produzirá o fenômeno da onda estacionária. A interferência entre os campos é resultado do fenômeno de onda estacionária, onde uma onda refletida superpõe a uma onda incidente; no ponto em que uma onda refletida chega em fase com uma onda incidente, acorre o fenômeno da interferência construtiva, somando-se os valores dos campos elétricos; nos pontos em que as ondas incidentes e refletidas encontram-se defasadas, haverá o fenômeno da interferência destrutiva. Os fenômenos de interferência no interior da cavidade ressonante resultarão na distribuição não-uniforme do campo elétrico no espaça delimitado, dessa forma, o material posicionado no interior do aplicador não será iluminado uniformemente em toda sua área

pela energia de micro-ondas. Aplicadores de micro-ondas podem ser classificados em cavidades monomodos (Figura 2.4) e cavidades multimodos (Figura 2.5). Aplicadores monomodos são utilizados quando a técnica a ser executada necessita da concentração de energia de micro- ondas, de maneira precisa, em um ponto no interior da cavidade ressonante. A fim de concentrar a energia de micro-ondas em determinada região do espaço, o designe e geometria da cavidade ressonante é de extrema importância para tal.

Figura 2.4. Diagrama genérico de um sistema experimental de aquecimento por micro-ondas monomodo (RATANADECHO, AOKI e AKAHORI, 2001).

Aplicadores de micro-ondas multimodos são de volume fechado, totalmente cercado por paredes condutoras e possuem uma grande cavidade ressonante, para permitir mais de um modo (padrão) de campo elétrico (FUNEBO e OHLSSON, 1998). Aplicadores de micro-ondas multimodos podem ser construídos para processar grandes ou pequenas quantidades de matéria, são pouco sensíveis à geometria do substrato e ao seu posicionamento no interior da cavidade ressonante; podem ser

utilizados em processos com fluxo contínuo de matéria e são adequados para aplicações com fontes híbridas de energia. Aplicadores multimodos apresentam complicações para distribuir uniformemente a energia de micro-ondas no seu interior, a solução dessas questões passa pelo dimensionamento correto da cavidade ressonante, segundo a aplicação correta da técnica e pela utilização de energia de micro-ondas com maiores frequências, por exemplo 2.450 ± 50 MHz.

Figura 2.5. Diagrama genérico de um sistema experimental de aquecimento por micro-ondas multimodo (RATTANADECHO, SUWANNAPUM, CHATVEERA, ATONG e MAKUL, 2008).