Електромагнітне поле (ЕМП), що представляє собою сукупність змінних електричного і магнітного полів, викликає поява в знаходяться в ньому провідниках змінних струмів, а в діелектриках призводить до поворотів дипольних молекул, т. Е. До поляризації, яка відбувається з частотою, яка визначається частотою ЕМП. На приведення в рух електронів, іонів і дипольних молекул поле витрачає енергію і в. Залежно від того, який механізм взаємодії поля з речовиною має місце, прийнято говорити про енергетичні втрати провідності або про діелектричних енергетичних втратах електромагнітного поля. Викликане полем рух заряджених частинок підвищує внутрішню енергію речовини, т. Е. Призводить до його нагрівання, яке відбувається тим інтенсивніше, чим більше швидкість коливального руху частинок, т. Е. Чим більше частота електромагнітного поля.
Для створення високочастотного електромагнітного поля служать спеціальні генератори, основною частиною яких є коливальний контур, що складається з конденсатора і котушки індуктивності. Високочастотний нагрів речовини здійснюють різними способами, в залежності від розташування його щодо елементів коливального контуру (рис.). Розглянемо кожен з цих способів.
Нагрівання провідників високочастотним струмом. Нехай до торцевих поверхонь провідного циліндра з питомим опором р, довжиною / і площею поперечного перерізу S прикладені електроди, з'єднані з генератором змінного напруги (рис. А). Відповідно до закону Джоуля - Ленца кількість теплоти Q, що виділяється при проходженні по провіднику з опором R сили струму I за час t буде
де I - щільність струму; V - об'єм провідника.
Назвемо інтенсивністю нагрівання величину, чисельно рівну кількості теплоти, що виділяється в одиницю часу в одиниці об'єму речовини, т. Е. Q = Q / Vt. Тоді інтенсивність нагріву провідника qпр = j 2 r (4.29).
Таким чином, інтенсивність нагріву провідника електричним струмом пропорційна його питомому опору і квадрату щільності струму. Слід мати на увазі, що для синусоїдального змінного струму величина j являє собою ефективне значення щільності струму, т. Е. J = Jм /Ö2, де Jм - амплітудне значення щільності струму.
Нагрівання провідника в змінному електричному полі. Нехай тепер провідний циліндр знаходиться в коливальному контурі між пластинами конденсатора, в якому існує змінне електричне поле, що приводить в рух електрони провідника (рис. В). Відповідно до закону Ома, щільність струму пов'язана з напруженістю електричного поля в. провіднику співвідношенням j = E / r. Тому вираз можна переписати, замінивши qnp на qE, тобто на інтенсивність нагріву в електричному полі:
Тут під Е також розуміється ефективне значення напруженості поля.
Таким чином, інтенсивність нагріву в електричному полі пропорційна квадрату напруженості поля і обернено пропорційна питомому опору провідника.
Нагрівання провідника в змінному магнітному полі. Помістимо тепер провідний циліндр в котушку коливального контуру (рис. 6). Змінне магнітне поле створює в провіднику вихровий індукційний струм, який і нагріває провідник. Проводячи відповідні розрахунки, можна показати, що інтенсивність нагріву qB в змінному магнітному полі з індукцією В пропорційна квадрату величини магнітної індукції, квадрату частоти магнітного поля і обернено пропорційна питомому опору провідника
)
де В - ефективне значення індукції магнітного поля і К - коефіцієнт пропорційності.
Як видно, інтенсивність нагріву в змінних електричному і магнітному полях обернено пропорційна питомому опору речовини. На цьому засновані застосовувані в терапії і в сільському господарстві методи боротьби з грибковими захворюваннями і дезінфекції зерна. При опроміненні високочастотним ЕМП зерна, в якому знаходяться жучки-шкідники, в тілі жучків, що володіють меншим питомим опором, ніж зерно, виділяється більше тепла. Жучки нагріваються і гинуть, а зерно схожості не втрачає.
Нагрівання діелектриків в високочастотному електричному полі. У діелектриках змінне електричне поле викликає електронну і дипольні поляризації. Час релаксації електронної поляризації
10 -15 с. Тому при частотах ЕМП, що створюються радіотехнічними пристроями і застосовуваних в біологічних дослідженнях і фізіотерапії (до 10 10 Гц), електрони встигають слідувати за змінами напруженості ЕМП, і електронна поляризація відбувається так само, як і при постійному полі, з тією лише різницею, що знаки електричних зарядів на протилежних поверхнях діелектрика змінюються з частотою ЕМП. Тому діелектрична проникність речовин з електронною поляризацією не залежить від частоти ЕМП (рис. А). Оскільки орієнтаційна поляризація обумовлена поворотом важких дипольних молекул, то при великих частотах інерція їх призводить до того, що вони не встигають слідувати за змінами вектора напруженості електричного поля, а при дуже високих частотах вони практично залишаються на місці. На рис. б показана залежність відносної діелектричної проникності від частоти для полярної діелектричної рідини. Поки частота МП мала, диполі встигають слідувати за змінами поля, значення е велике і близько до значення при постійному полі. При великих частотах діелектрична проникність різко зменшується і її значення наближається до величини, що відповідає електронної поляризації.
Розглянемо, яка інтенсивність нагріву діелектрика в змінному електричному полі (ріс.в). Якщо поляризація діелектрика між пластинами конденсатора носить електронний характер, то перезарядка конденсатора відбувається без втрат енергії. Такі ділянки ланцюга змінного струму, в яких не відбувається виділення енергії, носять назву реактивних.
У реальному діелектрику, в якому існує, хоча б і малий, струм провідності і поляризація обумовлена поворотом дипольних молекул, як уже говорилося, протікає струм Іпр = Іпр + Iор + Iе - Струм Iе. обумовлений електронної поляризацією, чисто реактивний. Струм провідності Іпр. обумовлений рухом наявних в діелектрику вільних іонів або електронів, - ток активний, т. е. такий, при проходженні якого виділяється джоулево тепло. Активний струм не відстає по фазі від напруги і на векторній діаграмі спрямований в ту ж сторону, що і вектор напруги. Що стосується струму Iор. то він частково активний і частково реактивний. Сам по собі поворот диполів, якби він відбувався в вакуумі, не вимагав би витрати енергії. Однак опір середовища призводить до нагрівання діелектрика. Тому на векторній діаграмі повинні бути відкладені і активна складова Іа, ор. і реактивна Iр, ор орієнтаційної струму (рис.). В результаті векторного додавання виходить вектор загального струму, який зрушать по відношенню до вектора реактивного струму на кут d. званий кутом діелектричних втрат. Як видно з рис. б,
Тангенс кута діелектричних втрат характеризує частку енергії ЕМП, що витрачається в діелектрику на його нагрівання. Якщо d = 0, то струм реактивний і втрати енергії відсутні. Якщо d = p / 2, то реактивної складової немає і вся енергія витрачається на нагрівання тіла. Можна показати, що інтенсивність нагріву діелектрика Qд = E 2 w 2 ee0 tgd. де під Е, як і в попередніх формулах, треба розуміти ефективне значення напруженості змінного електричного поля.
Таким чином, tgd визначає частку енергії електромагнітного поля, що втрачається їм на нагрівання діелектрика. Для сучасних електроізоляційних матеріалів величина tgd знаходиться в межах від 0,0001 до 0,05. Чим менше тангенс кута втрат, тим краще діелектричні властивості матеріалу, так як в ньому менше втрати енергії, що викликають нагрівання діелектрика і призводять до його руйнування. Тангенс кута втрат залежить від частоти ЕМП (рис.). Зі збільшенням частоти втрати енергії зростають в результаті того, що диполі змушені частіше переорієнтуватися в електричному полі, на що буде витрачатися все більша енергія. Але так відбувається тільки до певної частоти. При дуже високих частотах диполі не встигають слідувати за зміною змінного поля, і втрати енергії зменшуються. У діелектриках з чисто електронної поляризацією (чисті неполярні рідини, фторопласт, полістирол) діелектричні втрати дуже малі (tgd »10 -5 - 10 -4) і не залежать від частоти аж до 1 ГГц.
Значення tgd можна виразити через параметри діелектрика
Середу вважають проводить, якщо втрати провідності в ній значно більше діелектричних втрат, тобто якщо tgd >> l, полупроводящей, якщо tgd »l, і діелектричної при tgd < Так як тангенс кута втрат залежить від частоти, то одна і та ж середовище може проявляти то діелектричні, то провідні властивості. Так, морська вода (за властивостями близька до фізіологічного розчину) при частоті до 10 МГц поводиться як провідник (tgd = 100), а при частоті понад 10 ГГц - як діелектрик (tgd = 0,01).Схожі статті