Mieczysław 

Hering

   
 
 

podstawy 

       

elektrotermii 

 

cz.II 

 
 
 
 

 
 
 
 

WNT 

Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 

Warszawa

 

Opiniodawca 
   prof. dr hab. inż. Tadeusz Skoczkowski 
Redaktorzy: 
  inż. Lech Oleksiak (rozdz. 6÷10), Irena Puchalska (rozdz. 11÷13) 
Okładkę i strony tytułowe projektowała 
  Justyna Delathoure 
Redaktor techniczny 
  Anna Szeląg 
Korekta 
  Irena Puchalska 
Skład i łamanie 
  Anna Szeląg 
 
 

621.365 

            W drugiej części książki omówiono osiem metod elektrotermicznych, a mianowicie: indukcyjną, 
pojemnościową, mikrofalową, plazmową, elektronową, laserową, jarzeniową i ultradźwiękową. Wraz z 
czterema metodami (rezystancyjną, promiennikową, elektrodową i łukową) zawartymi w części 
pierwszej „Podstawy elektrotermii” obejmują cały obszar elektrotermii, odpowiadający współczesnemu 
pojmowaniu tego działu elektrotechniki. W książce podano podstawy teoretyczne omawianych 
przemian, budowę urządzeń elektrotermicznych i ich charakterystyki techniczne oraz zastosowania. 
 Książka jest przeznaczona dla studentów oraz dla inżynierów różnych specjalności 
zainteresowanych celowymi przemianami energii elektrycznej w ciepło zarówno w warunkach braku 
alternatywy dla takich przemian, jak i przy ich konkurencyjności wobec przemian paliwowych. 
 
 
Książka dotowana przez Ministerstwo Edukacji Narodowej 
 
 
English title and summary of the book, see p. 431. 
Deutschen Titel und die Zusammenfassung des Buches, sieh S. 432. 
 
 
© Copyright by Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 
Warszawa 1998 
 
 
All Rights Reserved 
Printed in Poland 
 

Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany  
za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających  
i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. 
 
Adres poczty elektronicznej: 

wnt@pol.pl

 

Strona WWW:www.wnt.com.pl 
 

ISBN 83-204-1384-2 całość 
ISBN 83-204-2319-8 część II 
 
 

WNT Warszawa 1998. Wyd. I 
Ark.wyd. 29,0. Ark.druk. 27,0. Symbol En/82719/MEN 
Drukarnia Naukowo-Techniczna 

 

        
       SPIS TREŚCI 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
6. 

 
6.1. 
6.1.1. 
6.1.2. 
6.1.3. 
6.1.4. 
6.2. 
6.2.1. 
6.2.2. 
6.2.3. 
6.2.4. 
 

7. 
 

7.1. 
7.2. 
7.2.1. 
7.2.2. 
7.3. 
 
 

8. 
 

8.1. 
8.2. 
8.2.1. 
8.2.2. 

PRZEDMOWA........................................................................................ 
 
WAŻNIEJSZE OZNACZENIA l JEDNOSTKI MIAR....................... 
 
NAGRZEWANIE INDUKCYJNE.........................................................  

 
Zasady nagrzewania indukcyjnego.................................................................................... 
Rys historyczny................................................................................................................. 
Podstawy teoretyczne metody........................................................................................... 
Schematy zastępcze indukcyjnych układów grzejnych i ich parametry elektryczne........ 
Charakterystyka problemów termokinetycznych.............................................................. 
Urządzenia indukcyjne i ich zastosowania........................................................................ 
Klasyfikacja....................................................................................................................... 
Źródła zasilania................................................................................................................. 
Nagrzewnice indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania.................................... 
Piece indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania................................................. 
 

NAGRZEWANIE POJEMNOŚCIOWE................................................ 
 

Zasady nagrzewania pojemnościowego............................................................................. 
Urządzenia pojemnościowe i ich zastosowania................................................................. 
Źródła zasilania i układy dopasowujące............................................................................  
Nagrzewnice i piece pojemnościowe - elementy wyposażenia, zastosowania.................. 
Ochrona przed oddziaływaniem pól elektromagnetycznych wytwarzanych  
przez urządzenia pojemnościowe....................................................................................... 
 

NAGRZEWANIE MIKROFALOWE.................................................... 
 

Zasady nagrzewania mikrofalowego................................................................................. 
Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania.....................................................................

 

Podstawowe człony urządzeń............................................................................................

 

Zastosowania przemysłowe...............................................................................................

 

9 

 

11 

 

13 

 

13 
13 
14 
60 
78 
83 
83 
84 

109 
139 

 

166 

 

166 
183 
183 
190 

 

204 

 

206 

 

206 
211 
211 
219 

 

5 

 

 
Spis treści 
_________________________________________________________________________________ 
 
8.2.3.  Zastosowania w gospodarstwie domowym.......................................................................

 

223 

   8.3.        Biologiczne skutki oddziaływania pól elektromagnetycznych 

               o

 

częstotliwości 10 MHz ÷300 GHz................................................................................

 

224 

 

 

 

9. 

NAGRZEWANIE PLAZMOWE............................................................ 229 

 

 

 

9.1. 

Zasady nagrzewania plazmowego.....................................................................................

 

229 

9.1.1.  Plazma i jej właściwości...................................................................................................

 

229 

9.1.2.  Mechanizmy nagrzewania plazmowego...........................................................................

 

232 

9.2. Generacja 

strumienia 

plazmy niskotemperaturowej.........................................................

 

237 

9.2.1. Plazmotrony 

łukowe.........................................................................................................

 

237 

9.2.2. Plazmotrony 

indukcyjne...................................................................................................

 

262 

9.2.3. Plazmotrony 

pojemnościowe............................................................................................

 

267 

9.2.4. Plazmotrony 

mikrofalowe.................................................................................................

 

268 

9.3. Urządzenia plazmowe i ich zastosowania.........................................................................

 

271 

9.3.1.  Metalurgia  plazmowa.......................................................................................................

 

271 

9.3.2. Plazmochemia....................................................................................................................

 

275 

9.3.3.  Plazmowe natryskiwanie powłok......................................................................................

 

281 

9.3.4.  Techniki plazmowe w ochronie środowiska.....................................................................

 

284 

9.3.5.  Inne zastosowania plazmy.................................................................................................

 

286 

 

 

 

10. 

NAGRZEWANIE ELEKTRONOWE...................................................  289 

 

 

 

10.1. 

Zasady nagrzewania elektronowego..................................................................................

 

289 

10.1.1. Wiązka elektronowa i jej właściwości..............................................................................

 

289 

10.1.2. Elektronowiązkowe procesy cieplne.................................................................................

 

295 

10.2. Generatory 

wiązek elektronowych....................................................................................

 

298 

10.2.1. Wyrzutnie elektronowe.....................................................................................................

 

298 

10.2.2. Zasilacze wyrzutni elektronowych....................................................................................

 

305 

10.2.3. Układy próżniowe.............................................................................................................

 

308 

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne.........................................

 

309 

10.3.1. Topienie i rafinacja metali.................................................................................................

 

309 

10.3.2. Obróbka cieplna.................................................................................................................

 

316 

10.3.3. Rafinacja strefowa.............................................................................................................

 

324 

10.3.4. Mikroobróbka materiałów................................................................................................. 325 
10.3.5. Naparowywanie.................................................................................................................

 

327 

10.3.6.  Inne zastosowania urządzeń elektronowiązkowych..........................................................

 

329 

 

 

 

11. 

NAGRZEWANIE LASEROWE.............................................................  331 

 

 

 

11.1. 

Zasady nagrzewania laserowego.......................................................................................  331 

11.1.1. Laser jako źródło energii...................................................................................................  331 
11.1.2. Charakterystyka laserów technologicznych......................................................................  340 
11.1.3. Oddziaływanie promieniowania laserowego na materię................................................... 347 
11.2. Urządzenia laserowe i ich zastosowania termiczne...........................................................  353 
11.2.1. Inżynieria powierzchni......................................................................................................  353 
11.2.2. Ciecie................................................................................................................................. 359 
11.2.3. Drążenie............................................................................................................................. 362 
11.2.4. Mikroobróbka.................................................................................................................... 364

 

 
 

6 

 
Spis treści 

__________________________________________________________________________________

 

 

11.2.5. Aplikacje 

medyczne........................................................................................................... 366 

11.2.6. 

Inne zastosowania laserów................................................................................................. 367 

 

 

 

12. NAGRZEWANIE 

JARZENIOWE.........................................................

 

268 

 

 

 

12.1. Wyładowanie jarzeniowe w inżynierii powierzchni........................................................... 368 
12.2. 

Technologie i urządzenia jarzeniowe................................................................................. 375 

12.2.1. 

Technologie i urządzenia dyfuzyjne plazmowe................................................................. 375 

12.2.2. 

Technologie i urządzenia PA CVD.................................................................................... 383 

12.2.3. 

Technologie i urządzenia PA PVD....................................................................................  388 

12.2.4. 

Technologie i urządzenia do polimeryzacji plazmowej..................................................... 394 

 

 

 

13 NAGRZEWANIE 

ULTRADŹWIĘKOWE............................................ 398 

 

 

 

13.1 

Zasady nagrzewania ultradźwiękowego............................................................................ 398 

13.2 Wytwarzanie 

ultradźwięków............................................................................................. 400 

13.3 Zastosowania 

ultradźwięków............................................................................................ 406 

 

 

 

 

LITERATURA......................................................................................... 409 

 

SKOROWIDZ.......................................................................................... 424 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7 

 
 

PRZEDMOWA

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Autor oddaje do rąk Czytelników część II „Podstaw elektrotermii", obejmującą 8 metod 
elektrotermicznych, a mianowicie: indukcyjną, pojemnościową, mikrofalową, plazmową, 
elektronową, laserową, jarzeniową i ultradźwiękową. Łącznie z czterema metodami zawartymi 
w części I, a mianowicie: rezystancyjną, promiennikową, elektrodową i łukową, „Podstawy 
elektrotermii" obejmują obszar elektrotermii odpowiadający współczesnemu pojmowaniu tego 
działu elektrotechniki. 

Do niedawna większość sposobów nagrzewania zawartych w części II tego podręcznika 

zaliczana była do tzw. „nowych metod elektrotermicznych" i pod takim tytułem funkcjonowały 
one w wykładach uniwersyteckich większości uczelni. Z całą pewnością wiele technik 
elektrotermicznych, w których wykorzystuje się, w szczególności ciepło generowane przy 
użyciu mikrofal, plazmę zimną, wysokoenergetyczne wiązki elektronowe i laserowe oraz 
wyładowania jarzeniowe, nadal zasługuje na miano nowych, lecz postęp jaki został dokonany 
w tej dziedzinie uzasadniał konieczność ich wyodrębnienia i usystematyzowania. Taka 
potrzeba wynikała także z interdyscyplinarności wielu tych technik, co z natury rzeczy 
wymagało wyeksponowania treści, najbliższych problematyce dotyczącej przemiany energii 
elektrycznej na ciepło do celów użytkowych. 

Książka zawiera podstawy: teorii przemian elektrotermicznych, konstrukcji urządzeń 

elektrotermicznych i technologii elektrotermicznych. Tego rodzaju ujęcie, w odniesieniu do 
ośmiu prezentowanych tu działów elektrotermii, wydaje się być bardziej celowe niż w 
odniesieniu do czterech działów zawartych w części I. Wynika to przede wszystkim z 
niesłychanie daleko posuniętej specjalizacji technologicznej wielu urządzeń, które bazując na 
tej samej metodzie przemiany energii elektrycznej na ciepło różnią się niezmiernie pod 
względem konstrukcyjnym. 

Książka jest kierowana do przede wszystkim do studentów wydziałów elektrycznych, 

mechanicznych, metalurgicznych, chemicznych, inżynierii materiałowej oraz inżynierów i 
techników zawodowo związanych z elektrotermią. 

W celu zapewnienia spójności z częścią I, kolejne rozdziały otrzymały numerację od 

6÷13 zaś cytowane pozycje bibliograficzne - [355]÷[730]. Oznacza to, że 

 

9 

 
Przedmowa 
____________________________________________________________________ 

w przypadku odwołań do pozycji bibliograficznych oznaczonych numerami mniejszymi niż 
[355], ich dane znajdzie Czytelnik w części I. 

Dziękuję opiniodawcy książki prof. dr hab. Tadeuszowi Skoczkowskiemu za cenne 

uwagi oraz sugestie zmian, które przyczyniły się do ulepszenia tekstu, prof. dr hab. Romanowi 
Barlikowi, prof. dr hab. Tadeuszowi Burakowskiemu, oraz dr inż. Ryszardowi Niewiedziałowi 
- pierwszym Czytelnikom wybranych rozdziałów, zawartych w niniejszej części - za 
specjalistyczną ocenę i korektę ich treści. Szczególne podziękowania należne są kierownikowi 
Redakcji Elektrotechniki mgr inż. Annie Ciszek za mobilizację do przygotowania książki, a 
także za pokonanie wszystkich problemów formalnych i finansowych jakie wiązały się z jej 
wydaniem. 

Warszawa, październik 1997 r.                                                                       Mieczysław Hering 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
10 

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA  
l JEDNOSTKI MIAR 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
a - dyfuzyjność cieplna, m

2

·s

-1

 

A - absorpcyjność, l 
B - indukcja magnetyczna, T 
c - ciepło właściwe, W·s·kg

-1

·K

-1

  

C - pojemność elektryczna, F 
d - średnica, odległość, m  
D - indukcja elektryczna, C·m

2

 

e - zużycie właściwe energii, kW·h·Mg

-1

 

E - energia, kW·h 
E - natężenie pola elektrycznego, V·m

-1 

f- częstotliwość, Hz 
F - powierzchnia, m

2

 

F - współczynnik kształtu, 1 
g - grubość, m 
g - przelotność, wydajność, Mg·h

-1 

H - natężenie pola magnetycznego, A·m

-1 

i - prąd, A 
/ - prąd, A 
/ - natężenie fali akustycznej, W·m

-2 

j - jednostka urojona, 

1

j

−

=

, 1  

J - gęstość prądu, A·m

-2 

J - funkcja Bessela, 1  
k - współczynnik pochłaniania, 1 
 / - długość, wysokość, m  
L - indukcyjność, H  
L - obwód, m  
m - masa, pojemność, kg 
p - gęstość powierzchniowa mocy czynnej, W·m

-2  

p - gęstość objętościowa mocy czynnej (zwykle z indeksem V), W·m

-3  

p - ciśnienie, N·m

-2

 

P - moc elektryczna czynna, strumień cieplny, moc cieplna, W  
r - promień, m  
q - gęstość powierzchniowa mocy biernej, V·A·m

-2

 

 

11 

 

Ważniejsze oznaczenia i jednostki miar 

___________________________________________________________________ 

 
Q - moc bierna, var 
Q - dobroć, 1 
R - promień, m  
R - rezystancja, Ω 
R - jaskrawość energetyczna (z indeksem e), W·m

-2

·sr

-1  

R - refleksyjność, 1 
S - moc pozorna, V·A 
S - gęstość powierzchniowa mocy pola elektromagnetycznego, V·A·m

-2  

t - temperatura, °C 
T - temperatura termodynamiczna, K  
u - napięcie, V  
U - napięcie, V  
ν - prędkość, m·s

-1

 

V - objętość, m

3 

 

V - potencjał, V 
w - gęstość zwojów we wzbudniku, m

-1

  

w - promień wiązki, m  
X – reaktancja, Ω  
Z - impedancja, Ω 
γ - konduktywność, Ω·m  
Γ - tamowność jednostkowa, m

-1  

δ - głębokość wnikania, m 
∆- głębokość hartowania, m 
ε - przenikalność elektryczna, F·m

-1  

η - sprawność, 1  
λ - długość fali, m 
µ - przenikalność magnetyczna, H·m

-1 

 

v - częstotliwość, Hz  
p - masa właściwa, kg·m

-3

 

 

p - rezystywność, Ω·m  

τ - czas, s  
ω - pulsacja, s

-1 

 
Indeksy dolne 
 
c - cieplna (sprawność) 
e - elektryczna (sprawność)  
m - amplituda 
o - próżni 
r - wartość względna 
r - wartość równoważna  
V 

-

 objętościowa (moc)  

w - wewnętrzny (promień) 
Z - zewnętrzny (promień) 
O - na powierzchni 
1 - dotyczy wzbudnika 
1 - dla pierwszej harmonicznej (po lewej stronie oznaczenia) 
2 - dotyczy wsadu 
 

12