Взаимодействие переменного электромагнитного поля с веществом

Электромагнитное поле (ЭМП), представляющее собой совокупность переменных электрического и магнитного полей, вызывает появление в находящихся в нем проводниках переменных токов, а в диэлектриках приводит к поворотам дипольных молекул, т. е. к поляризации, происходящей с частотой, определяемой частотой ЭМП. На приведение в движение электронов, ионов и дипольных молекул поле затрачивает энергию и в. зависимости от того, какой механизм взаимодействия поля с веществом имеет место, принято говорить об энергетических потерях проводимости или о диэлектрических энергетических потерях электромагнитного поля. Вызванное полем движение заряженных частиц повышает внутреннюю энергию вещества, т. е. приводит к его нагреванию, которое происходит тем более интенсивно, чем больше скорость колебательного движения частиц, т. е. чем больше частота электромагнитного поля.

Для создания высокочастотного электромагнитного поля служат специальные генераторы, основной частью которых является колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Высокочастотный нагрев вещества осуществляют различными способами, в зависимости от расположения его относительно элементов колебательного контура (рис.). Рассмотрим каждый из этих способов.

Нагревание проводников высокочастотным током. Пусть к торцевым поверхностям проводящего цилиндра с удельным сопротивлением р, длиной / и площадью поперечного сечения S приложены электроды, соединенные с генератором переменного напряжения (рис. а). В соответствии с законом Джоуля – Ленца количество теплоты Q, выделяемой при прохождении по проводнику с сопротивлением R силы тока I за время t будет

где I – плотность тока; V – объем проводника.

Назовем интенсивностью нагрева величину, численно равную количеству теплоты, выделяемой в единицу времени в единице объема вещества, т. е. q = Q/Vt. Тогда интенсивность нагрева проводника q _пр = j ² r (4.29).

Таким образом, интенсивность нагрева проводника электрическим током пропорциональна его удельному сопротивлению и квадрату плотности тока. Следует иметь в виду, что для синусоидального переменного тока величина j представляет собой эффективное значение плотности тока, т. е. j = j _м/Ö2, где j _м– амплитудное значение плотности тока.

Нагревание проводника в переменном электрическом поле. Пусть теперь проводящий цилиндр находится в колебательном контуре между пластинами конденсатора, в котором существует переменное электрическое поле, приводящее в движение электроны проводника (рис. в). Согласно закону Ома, плотность тока связана с напряженностью электрического поля в. проводнике соотношением j = E/r. Поэтому выражение можно переписать, заменив q _npна q _E, т.е. на интенсивность нагрева в электрическом поле:

Здесь под Е также понимается эффективное значение напряженности поля.

Таким образом, интенсивность нагрева в электрическом поле пропорциональна квадрату напряженности поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению проводника.

Нагревание проводника в переменном магнитном поле. Поместим теперь проводящий цилиндр в катушку колебательного контура (рис. 6). Переменное магнитное поле создает в проводнике вихревой индукционный ток, который и нагревает проводник. Проводя соответствующие расчеты, можно показать, что интенсивность нагрева q_B в переменном магнитном поле с индукцией В пропорциональна квадрату величины магнитной индукции, квадрату частоты магнитного поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению проводника

)

где В – эффективное значение индукции магнитного поля и К – коэффициент пропорциональности.

Как видно, интенсивность нагрева в переменных электрическом и магнитном полях обратно пропорциональна удельному сопротивлению вещества. На этом основаны применяемые в терапии и в сельском хозяйстве методы борьбы с грибковыми заболеваниями и дезинфекции зерна. При облучении высокочастотным ЭМП зерна, в котором находятся жучки-вредители, в теле жучков, обладающих меньшим удельным сопротивлением, чем зерно, выделяется больше тепла. Жучки нагреваются и погибают, а зерно всхожести не теряет.

Нагревание диэлектриков в высокочастотном электрическом поле. В диэлектриках переменное электрическое поле вызывает электронную и дипольную поляризации. Время релаксации электронной поляризации ~10^–15 с. Поэтому при частотах ЭМП, создаваемых радиотехническими устройствами и применяемых в биологических исследованиях и физиотерапии (до 10¹⁰ Гц), электроны успевают следовать за изменениями напряженности ЭМП, и электронная поляризация происходит так же, как и при постоянном поле, с той лишь разницей, что знаки электрических зарядов на противоположных поверхностях диэлектрика изменяются с частотой ЭМП. Поэтому диэлектрическая проницаемость веществ с электронной поляризацией не зависит от частоты ЭМП (рис. а). Поскольку ориентационная поляризация обусловлена поворотом тяжелых дипольных молекул, то при больших частотах инерция их приводит к тому, что они не успевают следовать за изменениями вектора напряженности электрического поля, а при очень больших частотах они практически остаются на месте. На рис. б показана зависимость относительной диэлектрической проницаемости от частоты для полярной диэлектрической жидкости. Пока частота МП мала, диполи успевают следовать за изменениями поля, значение е велико и близко к значению при постоянном поле. При больших частотах диэлектрическая проницаемость резко уменьшается и ее значение приближается к величине, соответствующей электронной поляризации.

Рассмотрим, какова интенсивность нагрева диэлектрика в переменном электрическом поле (рис.в). Если поляризация диэлектрика между пластинами конденсатора носит электронный характер, то перезарядка конденсатора происходит без потерь энергии. Такие участки цепи переменного тока, в которых не происходит выделения энергии, носят название реактивных.

В реальном диэлектрике, в котором существует, хотя бы и малый, ток проводимости и поляризация обусловлена поворотом дипольных молекул, как уже говорилось, протекает ток I _пр = I _пр + I _ор + I _э - Ток I _э, обусловленный электронной поляризацией, чисто реактивный. Ток проводимости I _пр, обусловленный движением имеющихся в диэлектрике свободных ионов или электронов,– ток активный, т. е. такой, при прохождении которого выделяется джоулево тепло. Активный ток не отстает по фазе от напряжения и на векторной диаграмме направлен в ту же сторону, что и вектор напряжения. Что касается тока I _ор, то он частично активный и частично реактивный. Сам по себе поворот диполей, если бы он происходил в вакууме, не требовал бы затраты энергии. Однако сопротивление среды приводит к нагреву диэлектрика. Поэтому на векторной диаграмме должны быть отложены и активная составляющая I_{а,о р}, и реактивная I _р,ор ориентационного тока (рис.). В результате векторного сложения получается вектор общего тока, который сдвинут по отношению к вектору реактивного тока на угол d, называемый углом диэлектрических потерь. Как видно из рис. б,

Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует долю энергии ЭМП, расходуемой в диэлектрике на его нагревание. Если d = 0, то ток реактивный и потери энергии отсутствуют. Если d = p /2, то реактивной составляющей нет и вся энергия расходуется на нагревание тела. Можно показать, что интенсивность нагрева диэлектрика q_д = E ² w ²ee₀tg d, где под Е, как и в предыдущих формулах, надо понимать эффективное значение напряженности переменного электрического поля.

Таким образом, tg d определяет долю энергии электромагнитного поля, теряемой им на нагревание диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов величина tg d находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше тангенс угла потерь, тем лучше диэлектрические свойства материала, так как в нем меньше потери энергии, вызывающие нагрев диэлектрика и приводящие к его разрушению. Тангенс угла потерь зависит от частоты ЭМП (рис.). С увеличением частоты потери энергии возрастают в результате того, что диполи вынуждены чаще переориентироваться в электрическом поле, на что будет затрачиваться все большая энергия. Но так происходит только до определенной частоты. При очень больших частотах диполи не успевают следовать за изменением переменного поля, и потери энергии уменьшаются. В диэлектриках с чисто электронной поляризацией (чистые неполярные жидкости, фторопласт, полистирол) диэлектрические потери очень малы (tg d»10^–5 – 10^–4) и не зависят от частоты вплоть до 1 ГГц.

Значение tg d можно выразить через параметры диэлектрика

Таким образом,

Среду считают проводящей, если потери проводимости в ней значительно больше диэлектрических потерь, т.е. если tg d >> l, полупроводящей, если tg d» l, и диэлектрической при tg d << l.

Так как тангенс угла потерь зависит от частоты, то одна и та же среда может проявлять то диэлектрические, то проводящие свойства. Так, морская вода (по свойствам близкая к физиологическому раствору) при частоте до 10 МГц ведет себя как проводник (tg d = 100), а при частоте более 10 ГГц – как диэлектрик (tg d = 0,01).