2012-08-03

【電磁波は地震を引き起こすのか?】地球内部の加熱メカニズムとは3 ~電磁加熱(誘導加熱編)~

☆☆☆誘導加熱を追求する目的

現在、地震理論の最有力候補だと考えられる「熱移送説」。その中で“電磁波によって、地中内部の物質は加熱される可能性はあるのか?”について検証しています。

地球内部の加熱方法を考える上で、前回の「誘電加熱」のポイントをもう一度整理すると、
・誘電加熱では「分極現象の有無」と「誘電加熱できる物質は絶縁物質(誘電体)」であること。
・誘電加熱にはある程度高い周波数(数MHz~数GHz)が必要なこと。
・「誘電加熱」では、物質毎(あるいは分極の種類)に決まった固有の周波数に対応して、エネルギーを吸収し、限定的に加熱されること。
が上げられます。

したがって、地中内部で発生しているの電磁波が高周波(数MHz~数GHz)という条件付ですが、不導体の岩石は、誘電加熱で加熱される可能性があります。

ところが現在わかっている範囲では、地中内部の岩石やマグマは、導体である可能性が高いのです。

☆マグマは金属イオンが多く含むので、通電する可能性がある

地球の表面である地殻を構成する主要な元素は、O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti(酸素、珪素、アルミニウム、鉄、カルシウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、チタン)で、これだけでほぼ99%を占めると言われています。また、マントルは主に、O、Mg、Si、Feからなっていると考えられています。したがって、マグマを構成する元素もこれらの元素が主体であるといえます。
また、マグマはMg2+やFe2+,Fe3+などの金属イオンが大量多く含まれているので、地中内部にあるマグマは通電する可能性があります。

(参考)マグマは通電するのか?/るいネット

☆高圧力下では物質は全て金属化する

はじめから金属であるのものはともかくとして、半導体とかイオン結晶のような電気伝導のよくない物質が高圧下では原則として全て金属化するのである。(極限の科学 P125/伊達宗行)

地球内部は私達が想像を絶する程の高圧力下です。そこでは、あらゆる物質の結晶構造が変化し、「金属化する」というのが、物性物理の分野では一般的な認識です。

したがって、地球内部の大半の物質は金属化しており、導体である可能性が高いのです。
(※地球のどの部分までの圧力状態だと上記の現象が起こるのか?などは今後追求していきます)

そこで、今回は導体を対象にした「誘導加熱」の基礎理論を整理していきたいと思います。

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☆☆☆電磁加熱の原理 ~誘導加熱のメカニズム~

☆電磁誘導の法則を利用している=加熱対象は「導体」

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右図のように交流電源につながれたコイルの中に,加熱の対象となる金属棒を挿入すると、コイルと金属は接触していないのにもかかわらず、金属は表面から加熱されていきます。

これが誘導加熱です。

コイルの中で、棒磁石を出し入れすると、磁界が変化(交番磁束)し、コイルに電流が流れます。この作用を「電磁誘導」といいますが、この作用を利用して、磁石を動かすかわりに、交流電流(方向が変化する電流)を流すことで、「磁界の変化」を発生させ、導体に電流を発生させます。そして、導体に電流が流れると、そこに電気抵抗が発生し、発熱する。

画像は麻井九朗 マイクロ波加熱応用技術よろず相談室よりお借りしました

ただ、いまいち言葉だけでは良くわかりませんね。
では、この中で行われている、作用をもっと分解してみていきましょう。まずは、「電磁誘導」の法則を理解していきます。

<電磁誘導>

「電磁誘導の法則」とは、言葉で言うと、「コイルを貫く磁界(磁束)が変化すると、磁束の変化を妨げる向きに、コイルに誘導起電力が発生する」ということです。

図を見ながら理解していきましょう。まずは下の図①を見てください。
コイルに磁石を近づけると、コイルを貫く上向きの磁束の量(磁界)は増えます。(図①)つまり、コイルを貫く磁界は変化します
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すると、この上向きの磁束を妨げる向き、すなわち下向きの磁束を作る為の「誘導起電力」が発生します。(図②)(学校で習った右ねじの法則です。)この誘導起電力により電位差が生じ、コイルに誘導電流が流れます。これが電磁誘導の法則です。この誘導電流が流れることにより、コイルは電気抵抗を受け、発熱します。これらの作用を利用しているのが誘導加熱の原理です。
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<うず電流(誘導電流)>

それでは、上記のコイルの代わりに、導体板を置くとどうなるでしょうか?(図③)
やはりこの場合も、導体板を貫く磁界が変化するので、電磁誘導が起こり、導体板に同心円上の誘導電流が流れます。この電流を「うず電流」と呼んでいます。電磁誘導の時と同様に、導体に電流が流れるので、電気抵抗により、この導体板は発熱します。
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では、この誘導電流(うず電流)は磁界が変化する時にだけ流れるので、加熱されるまで、電流を流し続けるには、ずっと磁界を変化させる必要があります。

そこで、交流電源を利用するのです。(図④)

つまり、「コイルに変化する電流(交流電流)が流れる→変化する磁界が発生→導体中に誘導電流(うず電流)が発生→導体中の電気抵抗により発熱」という流れで加熱するのが、誘導加熱の原理になります。

このように見ていくと、誘導加熱の原理では電磁誘導の法則がミソになっており、その対象は金属(=導体)でないと成り立たないことが分かります。

そして、現在工業用で利用されている誘導加熱では、前回の誘電加熱とは異なり、商用電源の周波数程度の低いものから、だいたい1,000KHz(10^6Hz)程度のものが利用されています。

☆☆☆電磁加熱(誘電加熱、誘導加熱)のまとめ

以上、前回と今回、電磁波(電界と磁界の変化)による電磁加熱の原理を見ていきましたが、まとめると、

岩石が導体の場合、電磁波(電界と磁界の変化)によって加熱されているならば、誘導加熱の原理である可能性が高い。また、その場合、低周波(50Hz)~高周波(1,000KHz)ぐらいのものであれば加熱される。

②逆に、不導体の岩石の場合、電磁波(電界と磁界の変化)によって加熱されているならば、誘電加熱の可能性が高い。また、その場合、ある程度の高周波(数MHz~数GHz(マイクロ波周波帯))が必要である。

次回以降、地中内部で発生する電磁波の種類(周波数)と地中内部の物質構成(導体or不導体)を調べることによって、それに対応する加熱原理がある程度予測できるはずです。

参考
麻井九朗 マイクロ波加熱応用技術よろず相談室
電磁(IH)調理器の原理
マグマは通電するのか/るいネット
新しい物性物理/伊達宗行
極限の科学/伊達宗行

List    投稿者 tutinori | 2012-08-03 | Posted in D03.地震, D04.電磁波No Comments » 

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