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研究報告

◆Q値を高め電磁波(マイクロ波)のエネルギー変換効率を高める効果

通常、電子レンジの、マイクロ波は、庫内の5面の金属に反射させ加熱する構造であり、エネルギーの効率にムラがある。電子レンジを利用し庫内に、球体の空洞構造のセラミックを作り内部に磁性体フェライトの薄膜を焼結し、マイクロ波の波長を空洞内で波長転換した。このときセラミック内部はQ値が生じる。

波長転換を目的に磁性材料を選択し、外部からマイクロ波で加熱した場合、セラミック内部の磁性体による誘導磁化が高くなり磁性体によってマイクロ波は吸収され、磁性材料の電子スピンによる磁性共鳴で増幅する。波長転換された赤外線、遠赤外線は空洞内に輻射し、共振することによってエネルギーは増幅する。エネルギー増幅のQ値は、空洞の体積に比例し、表面積に反比例する。球面状の磁性体の空洞構造の場合、空洞の体積と表面積の比は高くなり、その結果Q値は大きく、エネルギーの増幅効率が高いことを実験データによって証明する。


【エネルギー増幅の原理】
 マイクロ波を磁性体に吸収させると、誘導加熱と渦電流によって、磁場が誘導され、磁性共鳴によって吸収される。磁性共鳴によってマイクロ波が吸収されるとき、磁性体のスピンのゼーマン効果によって量子力学的に、上位準位、下位準位の二準位にわかれる。そのとき上位準位から下位準位に遷移するスピンの数が多いことによって、マイクロ波は吸収され、磁性共鳴によってエネルギーは増幅され、波長転換し、赤外線を輻射する。
マイクロ波が磁性共鳴によって吸収するエネルギーと波長転換し輻射するエネルギーの比較によってエネルギーの増幅
の原理とQ値の関係がわかる。その原理を方程式(1)、(2)、(3)によって示す。
マイクロ波が磁性体に吸収され損失するエネルギーの方程式は(1)式で表される。
kenkyu1.gif
PL:損失するエネルギー Brf :マイクロ波磁界 
V:容器の体積 ω:マイクロ波の周波数 Q:Q値

磁性共鳴によってエネルギーは増幅され、波長転換し輻射されるエネルギーは方程式(2)で表される。
kenkyu2.gif
P:吸収され輻射されるエネルギー μ:磁気モーメント 
Brf:マイクロ波磁界 h:プランク定数 
△ω:吸収したマイクロ波の周波数と放射した赤外線の周波数の差
ω:放射した赤外線の周波数 n:遷移する磁性原子の数

方程式(2)と方程式(1)の比からエネルギー増幅効率を計算すると方程式(3)となる。 kenkyu3.gif
Q値が高いほどエネルギーの増幅効率は高いことがわかる。

kenkyu4.gif【実験と結果】
磁性体をFigure-1の陶磁器の内部全体に塗布し焼結した。マイクロ波は磁性体の薄膜に吸収され、磁性体の薄膜によって増幅し陶磁器内部の空洞空間で共振増幅されて陶磁器内部に赤外線を輻射する。磁性体の薄膜を塗布焼結した陶磁器内部の空洞内の共振増幅は空洞内のQ値によって決定される。Q値は空洞の体積に比例し、表面積に反比例する。陶磁器の空洞のQ値は電子レンジの立方体状の金属面でマイクロ波が反射することによるQ値よりも高く、マイクロ波によるエネルギー変換は増幅されて陶磁器内部に輻射される。

kenkyu5.gifFigure-1の陶磁器の中に三角フラスコを入れ、赤外線の吸収効率の高い、トマトジュース50ccと糖度10の砂糖水5ccを混ぜた水溶液を入れ電子レンジで加熱した。また同じ成分のトマトジュースと砂糖水の混合液を同じ三角フラスコに入れ直接電子レンジで加熱したその結果をFigure-2に示す。 赤外線波長が吸収しやすいトマトジュースと砂糖水の混合溶液では通常のマイクロ波加熱より、Figure-1の陶磁器を使用した方が温度の上昇は早いことがわかった。


【結論】
マイクロ波のエネルギーはQ値によって増幅され、エネルギー変換効率が向上していることが実験上、立証された。通常のマイクロ波によるトマトジュースと砂糖水の加熱は9702J消費している。Figure-1の陶磁器の場合、同一時間において温度上昇は高く、同じ溶液の加熱に11319J消費しており。エネルギー効率は約14.3%改善している。


【参考文献】
1) C.Kittel, Introductory Solid State Physics 7 edition Wiley
2)C,P, スリクター、益田義賀訳 磁気共鳴の原理、スプリンガーフェアラーク東京
3)J.D.ジャクソン 西田稔訳 電磁気学(上)吉岡書店
4)河野 一人、河野 武平 エネルギーの巨視的量子トンネル効果 第6回マイクロ波効果、応用国際シンポジウム


 

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