5. Тепловое действие электрического поля

Под действием электрического поля происходит направленное движение положительных или отрицательных электрических зарядов, т.е. протекает электрический ток.

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектрического нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равномерность и высокая производительность. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно – в другую. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают, и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т.е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и –q, смещенных друг относительно друга на некоторое расстояние. Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным.

Различают несколько видов поляризации. Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента. Ионная поляризация молекул вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой. Ориентационная поляризация имеет место в диэлектриках с молекулами, представляющие собой жесткие диполи, независимо от наличия внешнего электрического поля. Это поляризация упругого смещения, возникающая в твердых или жидких диэлектриках, полярные молекулы которых связаны друг с другом так, что под действием электрического поля могут поворачиваться лишь на небольшой угол.

Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными трением между молекулами (потери трения) и перемещением диполей (дипольные потери). Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника, скорость которого определяется, в частности, частотой изменения поля.

Процессы, происходящие в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяются диэлектрической проницаемостью ε = ε’ – j^.ε”. Вещественная часть комплекса ε’ характеризует отношение емкостей конденсатора до и после введения в него диэлектрика – относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Мнимая часть ε”= ε’^.tgδ характеризует поглощение энергии поля диэлектриком и называется коэффициентом потерь диэлектрика.

Мощность, выделяющаяся в диэлектрике:

(1)

где - угловая скорость, рад/с;

С – емкость плоского конденсатора, Ф:

(2)

S – площадь пластин конденсатора, м²;

d – расстояние между пластинами конденсатора, м;

ε₀ = 8,85^. 10^-2 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Из выражений (1) и (2) следует, что мощность, выделяющаяся в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяется только его электрическими характеристиками ε и tgδ и параметрами поля: напряженностью и частотой.

Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектриков, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом диэлектрического нагрева, позволяющим значительно ускорить процесс нагрева материала по сравнению с другими традиционными видами нагрева.