ЭТУ_Куликова_2014

Таблица 1.2 – Области электромагнитного спектра, используемые в электротехнологических процессах

Классификация электротехнологических процессов с точки зрения воздействующего фактора (электрическое поле в качестве энергетического воздействия) и результат этого воздействия представлен на рисунке 1.1.

Следует учесть, что приведенная классификация не может отразить возможности химического действия излучения, так как здесь вероятно возникновение вторичных факторов. Так при искрении, электрическом пробое, коронировании, то есть при проявлении вторичных явлений, энергия кванта может быть выше энергии химических связей, нарушение которых и приводит к изменению свойств обрабатываемого материала. Выбор действующего фактора для конкретного процесса представляет собой довольно сложную задачу. Для одного и того же процесса можно использовать ряд методов, а также комбинировать различные методы обработки, а идентичных результатов обработки можно получить при использовании различных методов.

Следовательно, здесь особенно четко необходимо представлять механизм воздействия подводимой энергии с точки зрения изменения структуры материала, его структурно–механических и энергетических

11

свойств, цели обработки, и весьма тщательно рассматривать энергетические и экономические затраты на реализацию того или иного способа обработки.

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Электрическое поле

Электрический ток

Электроимпульсная технология

Рисунок 1.1 – Классификация электротехнологических процессов

12

Для успешной реализации электротехнологических способов обработки сельскохозяйственных материалов необходимо как можно более точно математически описать технологический процесс. Построение математических моделей должно основываться на основополагающей информации об электрофизических свойствах исследуемого объекта обработки и силового воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый материал. Однако в настоящее время отсутствуют универсальные методики расчета этих параметров, позволяющие построить математические модели исследуемых процессов и решить оптимизационные задачи такой технологии. В тоже время достоверно известно, что использование электромагнитного поля различного диапазона частот дает возможность реализовать разнообразные технологии обработки биологических материалов. Успешная реализация конкретной электротехнологии определяется основными техническими и технологическими параметрами обработки: электрофизическими свойствами обрабатываемого материала и частоты электромагнитного поля, удельной энергии (мощности), способа подвода и экспозиции электрической энергии.

Всельскохозяйственном производстве применяют различные виды воздействия электрических полей на помещенные в них объекты: тепловое, силовое, биологическое, электрохимическое, электрофизическое. Каждое воздействие электрического поля на биологический объект обработки характеризуется различными действующими электрическими факторами, которые необходимо выявлять и, в зависимости от цели обработки, конкретизировать.

Внастоящее время следует считать доказанным практическую возможность интенсификации электротехнологических процессов путем использования электроконтактного метода, высокочастотных и сверхвысокочастотных полей. Применение этих методов резко ускоряет течение процессов, повышает производительность труда, снижает потребность в производственных площадях. Кроме того, повышается качество продукции, а также резко улучшаются санитарно–гигиенические условия труда. Специфическим преимуществом указанных методов перед традиционными методами является возможность достаточно равномерного распределения подводимой энергии по всему объему обрабатываемого материала и, что особенно важно, за достаточно короткие промежутки времени. Приведенная выше классификация (рисунок 1.1) носит условный характер, так как во многих случаях воздействие на обрабатываемый материал является комплексным, и отнесение процесса к той или иной группе определяется характером приложения энергии и ее величиной. Однако такая классификация позволяет рассматривать исследуемый процесс как единую систему взаимодействия электромагнитного поля с биологическим объектом, который подвергается обработке.

13

При взаимодействии электрического поля с рассматриваемой средой возникают потери проводимости и диэлектрические потери. Связь между этими величинами выражается через тангенс угла диэлектрических потерь tg и через комплексную диэлектрическую проницаемость :

Абсолютная величина tg позволяет оценить среду с точки зрения проводимости: проводящая среда – tg 1, полупроводящая среда – tg 1, диэлектрическая среда tg 1.

Сельскохозяйственные продукты обработки необычайно сложны по составу и обширны по ассортименту. Среди них встречаются диэлектрики, полупроводники и проводники, а также их композиции в различных сочетаниях, поэтому довольно сложно представить единое описание их электрофизических свойств, но, тем не менее, можно выявить основные закономерности, характеризующие электротехнологические процессы. Так, в постоянном электрическом поле заряженные частицы перемещаются, а дипольные молекулы ориентируются вдоль силовых линий.

При постоянном напряжении мембрана, окружающая клетку, ведет себя как диэлектрик (поверхностное сопротивление составляет порядка 108Ом·м2). С увеличением частоты электрического поля значительно изменяются и электрофизические свойства материалов. В некотором приближении биологические материалы можно представить в виде трехфазной системы: одна фаза – межклеточная ткань – полупроводник с ионной проводимостью, вторая фаза – внутриклеточное вещество – электролит, третья фаза – оболочка растительной клетки – несовершенный диэлектрик.

Таким образом, воздействие электрического поля на биологические материалы будет проявляться в различной степени на каждую составляющую клетки, так как эти составляющие имеют различные показатели

электрофизические свойства зависят от системы координат и имеют разрывы в своих значениях, совпадающие с поверхностями раздела фаз. В области низких частот эта сложность структуры клетки проявляется более резко. Кроме того, электрофизические свойства обрабатываемого материала естественно должны исследоваться для конкретного диапазона

14

частот, который определяется режимом обработки. Достоверно известно, что электрофизические свойства обрабатываемых материалов зависят не только от частоты, но и от степени измельчения продукта, влажности и плотности укладки. Эти технологические параметры и определяют степень неравномерности электрического поля при обработке.

Сельскохозяйственные материалы, подвергающиеся обработке в электрическом поле, условно можно разделить на две группы: к первой группе можно отнести сельскохозяйственные материалы с влажностью 12....35 %, ко второй – материалы, у которых влажность составляет более 35 %. Такое условное деление растительных кормов основано на форме и энергии связи влаги с материалом. Различные формы связанной влаги обуславливают разные по величине и природе энергии связи с сухим веществом. Такое представление материалов очень важно с точки зрения воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый материал, так как электрофизические свойства этих материалов (удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость), исследуемые на различных диапазонах частот, раскрывают механизм воздействия на обрабатываемый материал и позволяют моделировать электротехнологические процессы.

По современному представлению различают следующие формы связи влаги с материалом в порядке убывания величины энергии связи: химическую (строго определенное стехиометрическое соотношение влаги и сухого вещества), включающую ионную и молекулярную связи; физико– химическую (различные, но не строго определенные соотношения), включающую адсорбционную и осмотическую связи; физико– механическую (неопределенное соотношение влаги и сухого вещества), включающую капиллярную влагу разных видов.

Приведенный анализ дает возможность рассматривать физику исследуемых процессов с точки зрения воздействия электромагнитного поля различного диапазона частот с учетом электрофизических свойств обрабатываемого материала и представить электротехнологические процессы в виде обобщенной частотно–энергетической классификации (таблица 1.3).

В таблице 1.3 под удельной энергией в относительных единицах понимается отношение количества поглощенной энергии (кВт·ч) единицей объема (1м3) обрабатываемого материала к 1 кВт·ч/м3. Разделение на группы этого показателя связано с тем, что при возрастании количества поглощенной удельной энергии можно получить различное воздействие ЭМП на обрабатываемый материал, что естественно приводит к разнообразным технологическим процессам. Трансформирование этих процессов объясняется различным механизмом воздействия ЭМП на

15

обрабатываемый материал, который подвергается обработке. Разделение этого показателя на отдельные группы дает возможность не только определить конкретную технологию, но и сформировать основные положения по прогнозированию различных технологических процессов, где целью обработки является получение материалов с заранее определенными свойствами путем воздействия ЭМП определенных физических параметров на обрабатываемый материал.

Для одного и того же процесса можно использовать ряд методов, а также комбинировать различные методы обработки и идентичных результатов обработки добиваться при использовании различных методов. Следовательно, здесь особенно четко необходимо представлять механизм воздействия подводимой энергии с точки зрения изменения структуры материала, его структурно–механических и энергетических свойств, цели обработки, и весьма тщательно рассматривать энергетические и экономические затраты на реализацию того или иного способа обработки.

Таблица 1.4 – Обобщенная частотно–энергетическая система электротехнологических процессов в кормопроизводстве

16

При математическом моделировании электромагнитных полей необходимо определить среду, в которой исследуется поле. Все среды можно разделить на проводящие и диэлектрические, что определяется отношением плотности тока проводимости к плотности тока смещения:

J Jсм а .

Отношение а зависит от частоты изменения поля. При повышении частоты увеличивается ток смещения, и тогда диэлектрические свойства среды проявляются более отчетливо. Одна и та же среда при низких частотах может вести себя как проводящая, а при высоких частотах

— как диэлектрическая. При низких частотах такие среды считаются неидеальными проводящими (проводниками), а при высоких — неидеальными диэлектриками (диэлектриками). Неидеальные среды имеют потери.

Неидеальный проводник — среда, в которой при наличии поля преобладает движение свободных зарядов и наблюдается явление поляризации. В переменном поле ток проводимости больше тока смещения ( а 1). В таких средах необходимо учитывать как диэлектрические а , так и проводящие свойства. В гармоническом поле среда характеризуется комплексной проводимостью j а .

Неидеальный диэлектрик — среда, в которой преобладает явление поляризации, и существуют свободные заряды, способные перемещаться под действием поля. В переменном поле ток смещения больше тока проводимости ( а 1). В таких средах необходимо учитывать как диэлектрические а , так и проводящие свойства . В гармоническом поле

Как следует из изложенного выше, сельскохозяйственные материалы характеризуются неоднородными, анизотропными и нелинейными электрофизическими свойствами, и под воздействием электрического поля происходят сложные электрофизические и электрохимические явления.

17

ГЛАВА 2

УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ПОЛЯ КОРОННОГО РАЗРЯДА

2.1. Основы теории электростатического поля и поля коронного разряда

Физические тела электронейтральны или электрически заряжены. Электрически заряженные тела притягиваются или отталкиваются, следовательно, заряд тела положителен или отрицателен. Разноименно заряженные тела притягиваются, отрицательно заряженные отталкиваются.

Если две материальные точки заряжены, неподвижны, находятся в вакууме и на некотором расстоянии друг от друга, между ними возникает сила взаимодействия, направленная вдоль линии, соединяемой тела.

Эта сила описывается формулой:

где k1 – константа, k1 1/ 4 0 9 109 нм2 Кл2 ; q1 и q2 – заряды материальных точек;

r12 –расстояние между ними;

0 – диэлектрическая проницаемость вакуума;

0 8,854 10 12 Кл2 нм2 8,854 10 12Ф м 1 .

Это закон Кулона – основной закон электрического взаимодействия

тел.

Электрический заряд не может самопроизвольно появиться или исчезнуть, то есть суммарный электрический заряд замкнутой системы тел не может измениться во времени. Это закон сохранения электрического заряда.

Элементарный заряд – это заряд электрона. Численное значение заряда электрона Кл. Заряды тел могут быть равны или кратны этому заряду.

Так как между заряженными телами действуют электрические силы, то, следовательно, заряженное тело создает вокруг себя некоторое силовое поле, называемое электрическим. Если заряды неподвижны, то поле называется электростатическим.

При внесении в электрическое поле пробного заряда (тело с зарядом, приближающимся к нулю), который не исказит поля, на него будет действовать сила:

F qn E

где qn – пробный заряд.

Вектор E , зависящий от величины зарядов, создающих электрическое поле и от места расположения пробного заряда, называется напряженностью поля Е (Н/Кл или В/м):

18

E F . qn

Напряжённость поля точечного заряда в вакууме:

Сила взаимодействия зарядов в однородной и изотропной среде меньше той же силы в вакууме в ε – раз, где ε = F0/F называется диэлектрической проницаемостью среды.

Электростатическое поле графически изображается с помощью линий напряженности (силовых линий), касательные к которым в любой точке совпадают по направлению с вектором напряженности в этой точке пространства. К кулоновским силам применим закон суперпозиции, т.е. результирующая, действующая на пробный заряд равна векторной сумме сил, приложенных к ним со стороны каждого из зарядов:

Электростатическое поле точечного заряда является потенциальным, а электростатические силы – консервативными. Работа при перемещении заряда q из точки 1 в точку 2:

откуда следует, что работа, совершаемая при перемещении электрического заряда во внешнем электростатическом поле по любому замкнутому пути L, равна нулю:

dA 0

Для единичного точечного положительного заряда работа сил поля

циркуляцией вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура. Отсюда вытекает, что линии напряженности электростатического поля не могут быть замкнутыми.

Тело в потенциальном поле обладает потенциальной энергией. Работу сил электростатического поля выражают разностью потенциальных энергий точечного заряда в начальной и конечной точках поля заряда q

Отношение A / q называется потенциалом. Потенциал является скалярной энергетической характеристикой электростатического поля. Напряженность E поля равна градиенту потенциала со знаком минус:

19

т.к. вектор напряженности поля направлен в сторону убывания потенциала.

Если в электростатическом поле находится диэлектрик, состоящий из атомов и молекул, то поле оказывает на последний определенное воздействие. Это воздействие проявляется в поляризации молекул. Суммарный положительный заряд молекулы находится в одном центре «тяжести», а суммарный отрицательный заряд той же молекулы находится в другом центре «тяжести». Между центрами «тяжести» имеется какое-то расстояние. В этом случае мы имеем дело с диполем, т.е. с системой двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+q и -q), расстояние между которыми l.

Все диэлектрики можно разбить на три вида. Первую группу составляют вещества, у которых центры совмещены и дипольный момент равен нулю. Такие молекулы называют неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды смещаются в противоположные стороны и молекула приобретает дипольный момент.

Вторую группу составляют вещества, молекулы которых асимметричны – центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. За счет теплового движения молекул результирующий момент равен нулю. Под действием внешнего поля диполи ориентируются вдоль поля.

Третья группа представляет вещества с ионным строением, где две подрешетки вдвинуты одна в другую. Под действием внешнего поля подрешетки деформируются, что приводит к появлению дипольных моментов.

Ориентация диполей под воздействием внешнего поля тем сильнее, чем выше напряженность поля и ниже температура вещества.

В электрическом поле диэлектрик поляризуется, т.е. приобретает дипольный момент:

PV Pi ,

где Pi – дипольный момент молекулы. Дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

P PV Pi , называется поляризованностью.

V V

Поляризованность линейно зависит от напряжённости поля Е:

P 0 E ,

где – диэлектрическая восприимчивость вещества (безразмерная величина), 1.

При внесении диэлектрика в однородное электростатическое поле между двух бесконечных параллельных разноименно заряженных пластин (рисунок. 2.1) он поляризуется, т.е. положительные заряды смещается по полю, отрицательные – против поля.

20