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.

Д ля 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 = j² (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/2, 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/. Поэтому выражение можно переписать, заменив q_np на 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.

Н агревание 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,ор, 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 , называемый углом диэлектрических потерь. Как видно из рис. б,

Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует долю энергии ЭМП, расходуемой в диэлектрике на его нагревание. Если  = 0, то ток реактивный и потери энергии отсутствуют. Если  = /2, то реактивной составляющей нет и вся энергия расходуется на нагревание тела. Можно показать, что интенсивность нагрева диэлектрика q_д = E²²₀tg, где под Е, как и в предыдущих формулах, надо понимать эффективное значение напряженности переменного электрического поля.

Т аким образом, tg определяет долю энергии электромагнитного поля, теряемой им на нагревание диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов величина tg 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 10^–5 – 10^–4) и не зависят от частоты вплоть до 1 ГГц.

Значение tg можно выразить через параметры диэлектрика

Таким образом,

Среду считают проводящей, если потери проводимости в ней значительно больше диэлектрических потерь, т.е. если tg >> l, полупроводящей, если tg  l, и диэлектрической при tg << 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 = 100), а при частоте более 10 ГГц – как диэлектрик (tg = 0,01).