メタボレスクッキング

2011年６月１日　日経新聞社夕刊

磁性鍋は電子レンジのマイクロ波を100%吸収し、赤外線、遠赤外線に波長転換し、加熱調理することによって安全性が高まる

磁性鍋は陶磁器と蓋の内部全体に、磁性体であるMn-Znフェライト粒子を塗布し、粒子同士が結合し薄膜層状になるように、1300℃の温度で焼結してい る。その結果磁性体フェライト薄膜の構造が均一で高密度の状態で焼結されている。
この磁性鍋を電子レンジのマイクロ波で加熱すると、誘電加熱、誘導加熱、 渦電流損による加熱とともに、磁性共鳴によってマイクロ波を赤外線、遠赤外線に波長転換し、食品を加熱する。磁性鍋の磁性フェライトの薄膜が均一で高密度 の状態であることから、電子レンジのマイクロ波によって磁性鍋を加熱すると、透磁率による電磁誘導から、磁場が増幅し、マイクロ波は磁性フェライトの薄膜 に１００％吸収される。
磁性フェライトの磁性共鳴によってマイクロ波は赤外線、遠赤外線に波長転換され、磁性鍋の内部に輻射しています。そのため、電子レ ンジ庫外にマイクロ波が拡散、漏洩し、人間の身体に危険性を及ぼす心配を回避している。

磁性体フェライトの誘電加熱、誘導加熱、渦電流損による加熱の原理 磁性体、磁性フェライトをマイクロ波で加熱した場合の熱効率は磁性体による磁気損失できまる。
磁性体、磁性フェライトの損失が誘電加熱、誘導加熱で決まる 原理は参照文献１に示されている。

[ 参照文献１]
タイトル：　『マイクロ波フェライト１．基礎特性』
掲載： 米国材料科学誌電子材料２００９年度
著者： ÜmitÖzgür,YahyaAlivovandHadisMorkoc
所属：バージニアコモンウェルス大学電気工学、コンピューター科学部門米国4.7

○フェライトの磁気損失の機構ｐ７０～ｐ７１
「マイクロ波装置において、すべてのコンポーネントの導入損失、すなわち磁気損失、誘電損失、誘導損失はパ フォーマンスの評価にとって、最も重要な要因である。」

磁性体、磁性体フェライトの磁場は一般的に磁性体の透磁率によって決定される。渦電流の相乗効果と マイクロ波電界の電磁誘導による磁場の増幅は、一般的に、磁性体、磁性フェライトの透磁率に依存する。渦電流と透磁率の関係は、参照文献２に示されてい る。

［参照文献２］
タイトル：　『Mn-ZnとNi-Znスピネルフェライトとその混合材料の複素透磁率の周波数分散関係』所属：　広島大学　大学院教育学研究科　科学教育部門　蔦岡孝則
掲載：　米国応用物理学会誌　９３巻　５号　２００３年３月１日掲載　ｐ２７８９～ｐ２７９０

「焼結されたフェライトより、混合フェライト材料の方が高い透 磁率をもつことがわかった。フェライト粒子と樹脂の層によって、磁気回路が形成されている、Ni-Znフェライト混合材料の複素透磁率の周波数分散関係は 単純なモデルによって、磁壁の運動の共鳴、磁化の回転の緩和に依存している。このモデルは最初に、非磁性の粒子境界層を含んでいる、多結晶フェライトに よって、導入された。このモデルは混合材料の複素透磁率を適切に説明する。このタイプの解析はNi-Znフェライトとエポキシ樹脂によって作製されている 混合材料によって行われた。そして､Mn-Znフェライトとその混合材料によって高い周波数領域の透磁率は渦電流が影響することが指摘された。なぜなら ば、焼結されたMn-Znフェライトは半導体であり、室温によって比較的高い電気伝導率を持っており、高い周波数において、表皮の電気伝導効果が影響す る。しかし、Mn-Znフェライト混合材料によって、非磁性材料の混合率が高く、電気抵抗が高い場合は、渦電流効果は少なくなる。」

陶磁器の容器の内部全体と、蓋の内部全体に、磁性体、磁性フェライトを粉体にし、粒子同士が結合されるよう薄膜層状に結合させ、釉薬の下に塗布し、 1300℃で焼結したものであり、磁性体、磁性フェライトを粉体にし、粒子同士が結合されるよう薄膜層状に結合させた場合、比較的、高い電気伝導率をもっ ている。マイクロ波の吸収率と熱効率が高くなる科学的原因は磁性体及び磁性フェライトにマイクロ波が吸収され電子スピンの回転運動の向きがそろい、磁化が 増幅し、磁性体、磁性フェライトの薄膜層にマイクロ波の電界による電磁誘導によって自己磁場が誘導されることから、誘導加熱、渦電流損による加熱が生じ、 マイクロ波の周波数と磁性体、磁性フェライトの周波数がほぼ等しく、同調することから、強磁性共鳴が生じ、熱交換の機能を付加し、発熱効率の高まるもので あるからである。



【磁性体フェライトの磁性共鳴の原理】
磁性体、磁性体フェライト混合材料の磁性共鳴については、参照文献２に示されている。

［参照文献２］
タイトル：　Mn-ZnとNi-Znスピネルフェライトとその 混合材料の複素透磁率の周波数分散関係
所属：　広島大学　大学院　教育学研究科　科学教育部門　蔦岡孝則
掲載：　米国応用物理学会誌　９３巻５号２００３年３月１日掲載 ｐ２７８９～ｐ２７９０

「その一方バインダー基材に固定されたフェライト粒子から構成されるフェライト混合材料は研究の対象である。たくさんのフェライト 混合材料の透磁率の研究がされている。効果的媒体理論を使用した、混合材料の透磁率の理論的研究がされている。デバイス材料の設計の観点から、Ni-Zn フェライトとその混合材料の複素透磁率を研究した、その結果、100MHz領域まで、焼結されたフェライトより、混合フェライト材料の方が高い透磁率をも つことがわかった。フェライト粒子と樹脂の層によって、磁気回路が形成されている、Ni-Znフェライト混合材料の複素透磁率の周波数分散関係は単純なモ デルによって、磁壁の運動の共鳴、磁化の回転の緩和に依存している。このモデルは最初に、非磁性の粒子境界層を含んでいる、多結晶フェライトによって、導 入された。このモデルは混合材料の複素透磁率を適切に説明する。このタイプの解析はNi-Znフェライトとエポキシ樹脂によって作製されている混合材料に よって行われた。そして､Mn-Znフェライトとその混合材料によって高い周波数領域の透磁率は渦電流が影響することが指摘された。なぜならば、焼結され たMn-Znフェライトは半導体であり、室温によって比較的高い電気伝導率を持っており、高い周波数において、表皮の電気伝導効果が影響する。しかし、 Mn-Znフェライト混合材料によって、非磁性材料の混合率が高く、電気抵抗が高い場合は、渦電流効果は少なくなる。その一方Mn-Znフェライトの複素 透磁率は磁壁の運動と緩和機構の組み合わせでは説明ができない。この事実は高い周波数領域において、透磁率は単純な緩和機構ではないからである。高い周波 数においては、複素透磁率は自然共鳴と、磁化の回転に依存している」

電子スピンの回転運動による、磁化の回転と、磁化が増幅され自己磁場が形成されることによる、磁場の強さを決定する、複素透磁率は強磁性共鳴の一種の自然 共鳴に依存している。フェライト混合材料の複素透磁率のモデルは磁性体、磁性フェライトにおいて、非磁性の粒子境界層を含んでいる、多結晶フェライトに よって、導入された。


【多結晶フェライトの性能の原理】
多結晶フェライトの性能については参照文献３に示されている。

［参照文献３］
『マイクロ波フェライトとその応用技術』工学博士　橋本忠士著　総合電子出版社
１．１．４フェライトの微細構造ｐ７～ｐ９

「実際に使用されているフェライトは、前述の単位胞が多数集まって結晶粒子を形成し、更に、この粒子が多数結合 して構成されている。このように多くの結晶粒から構成される材料を多結晶材料と呼ぶ。図１．５に多結晶材料を模型的に示す。この図に示すように、各結晶粒 子は粒界を介して稠密に結合しており、各結晶粒子は、更に小さい磁化を持つ領域から成り立っている。」

「フェライトの特性は、主としてその成分組成によっ て決まるが、製造過程によっていわば後天的に定まる微細構造も特性に影響を及ぼす。マイクロ波フェライトでは、特に高密度と完全性が要求される。図１．６ に実際のフェライトの微細構造を示す。一般的には、不純物の析出がなく粒界が締まっており、粒径が均一であり、粒界および粒子内に気孔が少なく、異なる成 分の部分(異相)がない微細構造が好ましい。」

【多結晶フェライトの磁性共鳴の原理】
多結晶フェライトの磁性共鳴の概念は、参照文献１による。

[ 参照文献１]
タイトル：　『マイクロ波フェライト』１．基礎特性
掲載：　米国材料科学誌電子材料２００９年度
著者：　ÜmitÖzgür,YahyaAlivovandHadisMorkoc
所属：　バージニアコモンウェルス大学電気工学、コンピューター科学部門米国

4.7　フェライトの磁気損失の機構ｐ７２～７６
「Schloemannによるとフェライトの強磁性共鳴は磁気緩和に依存している。スピンが電磁場のシグナ ルによって励起され、そのエネルギーが磁気システムに伝達される。磁気システムとは、交換相互作用または双極子相互作用、電荷、格子振動、イオンの緩和に よって結合された強磁性の電子スピンシステムである。磁気損失は、強磁性体の磁気システムの基礎的相互作用による内部的要因による損失だけではなく、結晶 の不純性(成長状態による)多結晶性、気孔、粒子の境界、表面の粗さ、不純物による緩和などの外部的要因も影響する。

ほとんどのフェライトで外部的要因は 主に強磁性共鳴の幅を決定し、内部的要因は高い出力時のスピン波の不安定性を決定する。特に、多結晶フェライトの内部的要因は気孔の要因に較べて無視でき る。外部的要因による強磁性共鳴による共鳴の状態は通常、非ローレンツ型である。サーキュレーター、チューナー、フェースシフターのような比較的小さな磁 場での共鳴の損失において、強磁性共鳴の線幅は、よい指標ではない。

その結果非共鳴時の線幅が効果的な磁気共鳴時の指標となる。スピン緩和システムは通常 マグノン、すなわち、磁気システムの励起によって示される。スピン緩和システムは２．３．４過程のマグノン過程によって示される。それはスピン波振幅に よって２．３．４階のスピン波のハミルトニアン方程式によって描かれる。２マグノン散乱はたとえば、結晶の不純性、多結晶性の乱雑さ、気孔などの材料の非 一様性から生じる。

小さい、磁気結晶性の異方性と小さい気孔を持ち、粗い、粒子を持つ、焼結された多結晶フェライトのほとんどの損失機構である３マグノン 過程は、双極子相互作用から誘導され、磁気双極子と交換相互作用、から４マグノン過程は誘導される。３マグノン過程エネルギーと運動量の保存から２マグノ ン過程の励起に直接分裂し、Ｈｉ≦ω／２(γμ０)の条件の非共鳴時の減衰に貢献する。異方性がないことを仮定した条件により、Ｈｉは内部磁場、ωはシグ ナル周波数である。

上記に記述された緩和過程は、磁気マテリアルの３つの線幅による、強磁性共鳴の線幅、効果的線幅に依存した場、スピン波の線幅、これら の線幅は、単純な結晶よりも、多結晶フェライト材料の方がはるかに大きい。強磁性共鳴の線幅は外部要因の２マグノン散乱過程に依存し、多結晶フェライト材 料において、大きいことが指摘された。典型的な強磁性共鳴の線幅は1Oeの幅である。それに較べ、多結晶フェライトは10Oe~1000Oeである。」

多結晶フェライトの強磁性共鳴は、多結晶フェライトの外部的要因である結晶の不純性(成長状態による)多結晶性、気孔、粒子の境界、表面の粗さ、不純物によ る緩和などによって決定される。
磁性鍋は陶磁器の容器の内部全体と、蓋の内部全体に、磁性体、磁性フェライトを粉体にし、粒子同士が結合されるよう薄膜層 状に結合させ、釉薬の下に塗布し、1300℃の温度で焼結したものでありフェライト粒子の焼結において、多結晶フェライトの高密度と完全性がみたされてい る。

磁性体及び磁性フェライトにマイクロ波が吸収されたとき、磁性体、磁性フェライトの薄膜層にマイクロ波の電界による電磁誘導によって自己磁場が誘導さ れることから、誘導加熱、渦電流損による加熱が生じ、マイクロ波の周波数と磁性体、磁性フェライトの周波数がほぼ等しく、同調することから、強磁性共鳴が 生じる。


【遠赤外線領域によるフェリ磁性共鳴の原理】
磁性体フェライトの強磁性共鳴の一種であるフェリ磁性共鳴の波長は遠赤外線領域になる。次の参照文献４によると

[ 参照文献４]
題目：　CoF2,NiF2,KNiF3とYbIGの赤外線磁性共鳴
著者：　P.L.リチャード
所属：　ベル電話研究所　ニュージャージー州　アメリカ合衆国
掲載：　米国応用物理 学会誌vol34No.4(PART2)　1963年4月

「紹介
たくさんのフェリ磁性体と反強磁性体の交換相互作用と異方性のエネルギーは、外部から磁場を 与えていない状態で、通常のマイクロ波周波数以上で共鳴を起こし得るほど大きい。FeF2の赤外線測定はオールマンOhlmanによってなされ,ティンカ ムTinkham、近藤KondohによってNiOの赤外線測定がなされ、シーバーSiever、ティンカムTinkham、によってNiO,MnOの測 定がなされた。回折格子分光計を使用して、これらの共鳴の貴重なデータが得られた。」

フェリ磁性体の赤外線共鳴周波数と波長は参考文献４．により、表１． 表２に示される。

【磁性鍋の通常の外部加熱時の赤外線の輻射エネルギー密度と波長】
磁性鍋を通常の外部加熱で加熱したときの赤外線輻射波長は２．５μｍ～２０μｍであり、輻射エネルギー密度は黒体輻射の８０％以上である。

グラフ１
〈通常加熱によるMn-Znフェライト焼結体の黒体輻射の理想条件あたりの輻射率〉

グラフ2
〈通常加熱による、Mn-Znフェライト焼結体の赤外線輻射〉

グラフ3
〈電磁波の波長帯〉

磁性鍋の通常の外部加熱は波長２．５μｍ～２０μｍで黒体輻射８０％以上で赤外線輻射している。磁性鍋はマイクロ波を磁性フェライトを鍋の内側と蓋全体に 塗布し、磁性フェライト粒子が結合され、薄膜層状に焼結していることから１００％吸収し、磁性共鳴によって赤外線、遠赤外線に波長転換し磁性鍋の内側に輻 射している。また、フェライト磁性体のフェリ磁性共鳴による赤外線共鳴の周波数は１００μｍ～３．３ｍｍである。

すなわち、磁性鍋を電子レンジのマイクロ 波で加熱すると、テラヘルツ帯未踏領域である赤外線、遠赤外線、テラヘルツ帯が全輻射している。他に磁性鍋による、テラヘルツ、赤外線、遠赤外線の輻射は 農業、バイオ、電子ナノ材料の製造に応用できる。