التسخين بالحث

التسخين بالحث هو عملية تسخين المواد الموصلة للكهرباء، وتحديداً المعادن أو أشباه الموصلات، عن طريق الحث الكهرومغناطيسي ، من خلال نقل الحرارة عبر محث يقوم بإنشاء مجال كهرومغناطيسي داخل الملف لتسخين وربما صهر الفولاذ أو النحاس أو النحاس الأصفر أو الجرافيت أو الذهب أو الفضة أو الألومنيوم أو الكربيد.

من أهم مميزات التسخين بالحث أن الحرارة تتولد داخل الجسم نفسه، بدلاً من مصدر حراري خارجي عبر التوصيل الحراري. وبالتالي، يمكن تسخين الأجسام بسرعة فائقة. إضافةً إلى ذلك، لا حاجة لأي تلامس خارجي، وهو أمر بالغ الأهمية في الحالات التي يُشكل فيها التلوث مشكلة. يُستخدم التسخين بالحث في العديد من العمليات الصناعية، مثل المعالجة الحرارية في علم المعادن ، ونمو بلورات تشوخرالسكي، والتكرير النطاقي المستخدم في صناعة أشباه الموصلات، وصهر المعادن المقاومة للحرارة التي تتطلب درجات حرارة عالية جدًا. كما يُستخدم أيضًا في مواقد الحث .

يتكون جهاز التسخين الحثي من مغناطيس كهربائي ومذبذب إلكتروني يمرر تيارًا متناوبًا عالي التردد عبر المغناطيس. يخترق المجال المغناطيسي المتناوب بسرعة الجسم، مولدًا تيارات كهربائية داخل الموصل تُسمى التيارات الدوامية . تتدفق هذه التيارات الدوامية عبر مقاومة المادة، وتسخنها بفعل التسخين الجولي . في المواد المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية الحديدية المضادة ، مثل الحديد ، تتولد الحرارة أيضًا نتيجة لفقدان التخلف المغناطيسي . يعتمد تردد التيار الكهربائي المستخدم في التسخين الحثي على حجم الجسم، ونوع المادة، والاقتران (بين ملف التسخين والجسم المراد تسخينه)، وعمق الاختراق.

تتيح التسخين الحثي تسخينًا دقيقًا وموجهًا لعنصر معين، وذلك لتطبيقات تشمل تقوية الأسطح، والصهر، واللحام ، والتسخين لتعديل المقاس. ونظرًا لطبيعتها المغناطيسية الحديدية، فإن الحديد وسبائكه تستجيب بشكل أفضل للتسخين الحثي. مع ذلك، يمكن توليد تيارات دوامية في أي موصل، كما يمكن أن يحدث التخلف المغناطيسي في أي مادة مغناطيسية. وقد استُخدم التسخين الحثي لتسخين الموصلات السائلة (مثل المعادن المنصهرة) وكذلك الموصلات الغازية (مثل بلازما الغاز - انظر تقنية بلازما الحث ). ويُستخدم التسخين الحثي غالبًا لتسخين بوتقات الجرافيت (التي تحتوي على مواد أخرى)، ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات لتسخين السيليكون وأشباه الموصلات الأخرى. ويُستخدم التسخين الحثي بتردد الشبكة الكهربائية (50/60  هرتز) في العديد من التطبيقات الصناعية منخفضة التكلفة، حيث لا يتطلب استخدام محولات تردد .

يتكون النظام الأساسي من مصدر طاقة تيار متردد يوفر الكهرباء بجهد منخفض ولكن بتيار عالٍ وتردد عالٍ. توضع قطعة العمل المراد تسخينها داخل ملف هوائي يُدار بواسطة مصدر الطاقة، وعادةً ما يُستخدم مكثف رنين لزيادة القدرة التفاعلية. يُحفز المجال المغناطيسي المتناوب تيارات دوامية في قطعة العمل.

يُحدد تردد التيار الحثي عمق اختراق التيارات الدوامية المستحثة لقطعة العمل. في أبسط الحالات، وهي قضيب دائري صلب، يتناقص التيار المستحث أُسّيًا من السطح. عمق الاختراق${\displaystyle \delta }$حيث سيتم تركيز 86% من الطاقة، يمكن اشتقاقها على النحو التالي:${\displaystyle \delta =503{\sqrt {\frac {\rho }{\mu f}}}}$، أين${\displaystyle \delta }$العمق بالأمتار،${\displaystyle \rho }$هي المقاومة النوعية لقطعة العمل بوحدة أوم متر،${\displaystyle \mu }$هي النفاذية المغناطيسية النسبية عديمة الأبعاد لقطعة العمل، و${\displaystyle f}$يمثل تردد المجال المتردد بالهرتز. ويمكن حساب المجال المتردد باستخدام الصيغة التالية:${\displaystyle {\frac {1}{T}}}$[ ^{5 ]} المقاومة المكافئة لقطعة العمل، وبالتالي الكفاءة، هي دالة لقطر قطعة العمل ^.${\displaystyle a}$على عمق مرجعي${\displaystyle d}$، وتزداد بسرعة حتى حوالي${\displaystyle a/d=4}$[ ^{6 ]} بما أن قطر قطعة العمل محدد بالتطبيق، فإن ^قيمة${\displaystyle a/d}$يتحدد ذلك بعمق المرجع. ويتطلب تقليل عمق المرجع زيادة التردد. ونظرًا لأن تكلفة مصادر الطاقة الحثية تزداد مع التردد، فغالبًا ما يتم تحسين هذه المصادر لتحقيق تردد حرج يكون عنده${\displaystyle a/d=4}$عند التشغيل بتردد أقل من التردد الحرج، تنخفض كفاءة التسخين لأن التيارات الدوامية من جانبي قطعة العمل تتداخل وتلغي بعضها بعضًا. ولا يُحدث رفع التردد فوق التردد الحرج تحسنًا يُذكر في كفاءة التسخين، على الرغم من استخدامه في التطبيقات التي تهدف إلى معالجة سطح قطعة العمل حراريًا فقط.

يتغير العمق النسبي بتغير درجة الحرارة لأن المقاومة والنفاذية تتغيران معها. بالنسبة للفولاذ، تنخفض النفاذية النسبية إلى 1 فوق درجة حرارة كوري . وبالتالي، يمكن أن يتغير العمق المرجعي بتغير درجة الحرارة بمعامل يتراوح بين 2 و3 للموصلات غير المغناطيسية، وبمعامل يصل إلى 20 للفولاذ المغناطيسي. ^{[ 7 ]}

تُحسّن المواد المغناطيسية عملية التسخين بالحثّ بفضل ظاهرة التخلف المغناطيسي . وتُعدّ المواد ذات النفاذية المغناطيسية العالية (100-500) أسهل تسخينًا بالحثّ. ويحدث التسخين بالتخلف المغناطيسي تحت درجة حرارة كوري، حيث تحتفظ المواد بخصائصها المغناطيسية. وتُعدّ النفاذية المغناطيسية العالية تحت درجة حرارة كوري في قطعة العمل مفيدة. ويؤثر كلٌّ من فرق درجة الحرارة والكتلة والحرارة النوعية على تسخين قطعة العمل.

يتأثر انتقال الطاقة في التسخين الحثي بالمسافة بين الملف وقطعة العمل. وتحدث خسائر الطاقة من خلال التوصيل الحراري من قطعة العمل إلى أداة التثبيت، والحمل الحراري الطبيعي ، والإشعاع الحراري .

عادةً ما تُصنع ملفات الحث من أنابيب نحاسية وسائل تبريد . ويؤثر القطر والشكل وعدد اللفات على الكفاءة ونمط المجال.

يتكون الفرن من موقد دائري يحتوي على الشحنة المراد صهرها على شكل حلقة. هذه الحلقة المعدنية كبيرة القطر، وهي موصولة مغناطيسيًا بملف كهربائي يُغذى بمصدر تيار متردد. وهو في الأساس محول كهربائي، حيث تشكل الشحنة المراد تسخينها دائرة ثانوية قصيرة اللفة، وترتبط مغناطيسيًا بالدائرة الابتدائية بواسطة قلب حديدي.

• براون، جورج هارولد، سيريل ن. هويلر، ورودولف أ. بيرويرث، نظرية وتطبيق التسخين بترددات الراديو . نيويورك، شركة دي. فان نوستراند، 1947. LCCN 47003544
• هارتشورن، ليزلي، التسخين بترددات الراديو . لندن، جي. ألين وأونوين، 1949. LCCN 50002705
• لانغتون، إل إل، معدات التسخين بترددات الراديو، مع إشارة خاصة إلى نظرية وتصميم مذبذبات الطاقة ذاتية الإثارة . لندن، بيتمان، 1949. LCCN 50001900
• شيلدز، جون بوتر، أساسيات التسخين بترددات الراديو . الطبعة الأولى، إنديانابوليس، إتش دبليو سامز، 1969. رقم مكتبة الكونغرس 76098943
• سوفي، رونالد جيه، وجورج آر. سيكل، التسخين بالحث الراديوي للبلازما منخفضة الضغط . واشنطن العاصمة  : الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا)؛ سبرينغفيلد، فرجينيا: مركز تبادل المعلومات العلمية والتقنية الفيدرالية، أكتوبر 1967. مذكرة فنية من ناسا. D-4206؛ أُعدّت في مركز لويس للأبحاث.

• التسخين العازل
• الطهي بالحث