Microwave absorption in powders of small conducting particles for heating applications

文献情報

出版日 2012-12-19
DOI 10.1039/C2CP43310A
インパクトファクター 3.676
著者

Adrian Porch, Peter P. Edwards


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要旨

In microwave chemistry there is a common misconception that small, highly conducting particles heat profusely when placed in a large microwave electric field. However, this is not the case; with the simple physical explanation that the electric field (which drives the heating) within a highly conducting particle is highly screened. Instead, it is the magnetic absorption associated with induction that accounts for the large experimental heating rates observed for small metal particles. We present simple principles for the effective heating of particles in microwave fields from calculations of electric and magnetic dipole absorptions for a range of practical values of particle size and conductivity. For highly conducting particles, magnetic absorption dominates electric absorption over a wide range of particle radii, with an optimum absorption set by the ratio of mean particle radius a to the skin depth δ (specifically, by the condition a = 2.41δ). This means that for particles of any conductivity, optimized magnetic absorption (and hence microwave heating by magnetic induction) can be achieved by simple selection of the mean particle size. For weakly conducting samples, electric dipole absorption dominates, and is maximized when the conductivity is approximately σ ≈ 3ωε0 ≈ 0.4 S m−1, independent of particle radius. Therefore, although electric dipole heating can be as effective as magnetic dipole heating for a powder sample of the same volume, it is harder to obtain optimized conditions at a fixed frequency of microwave field. The absorption of sub-micron particles is ineffective in both magnetic and electric fields. However, if the particles are magnetic, with a lossy part to their complex permeability, then magnetic dipole losses are dramatically enhanced compared to their values for non-magnetic particles. An interesting application of this is the use of very small magnetic particles for the selective microwave heating of biological samples.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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