Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте электротехнологию как науку и область техники. 2. Какие вопросы изучают в «Электротехнологии»? 3. Как выглядит энергетический баланс в сельском хозяйстве? 4. Приведите примеры использования электротехнологи­ческих процессов в основных и вспомогательных областях сельскохозяйственного производства.

2.2. Энергетические основы электротехнологии

2.2.1. Характеристика электромагнитного поля как носителя энергии. Его частные формы

Реализацию большинства процессов электротехнологии связы­вают прежде всего с проявлением электромагнитного поля. Рас­пространение электромагнитного поля сопровождается движени­ем электромагнитной энергии, представляющей собой сумму энергий электрического и магнитного полей. Любое изменение электрического или магнитного полей влечет за собой превраще­ние электрической энергии в магнитную или магнитной в элект­рическую.

Электромагнитное поле проявляется в различных формах: электрического или магнитного поля, электромагнитных волн,

134

электрического тока и др. Каждая из этих форм несет соответству­ющую ей энергию: электростатическую, магнитную, электромаг­нитную, электрическую. Наибольшее практическое применение получила электрическая энергия из-за относительной простоты ее производства, передачи и преобразования в другие электрические и неэлектрические виды.

Энергия электромагнитного поля обладает способностью по­глощаться в различных средах и превращаться в тепловую, меха­ническую, химическую или биологическую энергии. Воздействие их на предметы труда в сельскохозяйственных процессах и опре­деляет эффективность электротехнологии.

Движение энергии в электромагнитном поле характеризуется вектором Пойнтинга

представляющим собой поток энергии, В ■ А/м², проходящий в единицу времени через единичную площадь поверхности перпен­ дикулярно направлению движения энергии. В выражении (2.1) Ё — напряженность электрического поля, В/м; Н — напряжен­ ность магнитного поля, А/м. — —

Направление вектора П перпендикулярно векторам Е и Н и совпадает с направлением движения энергии.

Мощность поглощенной электромагнитной энергии, поступа­ющей в единицу времени в некоторый объем нагреваемого тела, ограниченный поверхностью Г,

(2.2)

С некоторой погрешностью можно также записать, что полная мощность, В • А, при нагреве тела

(2.3)

где Р— активная мощность, расходуемая на нагрев тела, Вт; <2 — реактивная мощ­ность, вар.

2 2.2 Поглощение и превращение энергии электромагнитного поля в различных средах

Превращение энергии электромагнитного поля в другие виды происходит при ее поглощении различными средами. Интенсив­ность поглощения зависит от электрофизических свойств сред и частоты поля. Необходимое условие поглощения — это наличие в веществе тела свободных или связанных элементарных электри-

135

ческих зарядов, имеющих собственную частоту колебаний, мало | отличающуюся от частоты колебаний поля. Поглощение энергии ^! поля будет тем больше, чем ближе собственная частота колебаний частиц тела к частоте колебаний поля.

В проводниках при низких частотах поля приходят в движение свободные электроны и ионы, в результате образуется ток элект­ронной или ионной проводимости. Связанные заряды металлов слабо реагируют на низкие частоты, а электромагнитные волны частотой выше 1 МГц отражаются металлическими телами. В ди­электриках приемниками электромагнитной энергии на высоких частотах становятся связанные заряды, образуя токи электричес­кого смещения и т. д.

Поток энергии, определяемый вектором Пойнтинга, представ­ляет собой функцию расстояния 2 от поверхности поглощающей среды и убывает (ослабляется') по чк-сттнр.тшальному закону:

(2.4)

где 8_е — мощность потока энергии на поверхности среды, В • А/и²; К— коэффи­циент затухания волны, м~'.

Таким образом, интенсивность затухания волны и, следова­тельно, поглощение энергии, определяются коэффициентом зату­хания К, зависящим от электрофизических свойств среды и часто­ты поля.

Для поглощающих сред коэффициент

(2.5)

где со — угловая скорость поля, рад/с, со = 2к/, е_а— абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м; ц_а — абсолютная магнитная проницаемость веще­ства, Г/м; у—удельная электрическая проводимость, См/м.

Для металлов

(2.6) Величина

(2.7)

где ц — относительная магнитная проницаемость материала; щ, = ццо, но — маг­нитная постоянная, Г/м, но = 4л • 10~⁷; р — удельное электрическое сопротивле­ние материала, Ом • м, р = 1/у,

136

носит название глубины проникновения поля (или тока) в прово­дящую среду. Она определяет расстояние от поверхности в глубь тела, _в конце которого амплитуда плотности тока (или векторы Е и Н) убывает в е = 2,7 раза.

Превращение поглощенной электромагнитной энергии в дру­гие виды происходит в результате взаимодействий электрических и магнитных полей с элементарными частицами тел (сред), с на­веденными (индуцируемыми) в средах токами, с электрически за­ряженными телами и т. д.

Следует отметить проявление указанных электрофизических факторов в природе (особенно при грозовых явлениях), а также воздействие электромагнитного поля на биологические объекты и системы, что способствует энергетическим взаимопревращениям в живых организмах.

Таким образом, можно сказать, что результат всех указанных взаимопревращений — это различные технологические проявле­ния или действия поля и тока. Основные из них: тепловое, маг­нитное, механическое (благодаря механическим силам поля), хи­мическое, биологическое действия тока. Разделение на действия тока и поля часто проводят условно, но во всех случаях первопри­чиной служит электромагнитное поле.

Рассмотрим эти технологические действия тока несколько под­робнее.

Тепловое, или термическое, действие тока. Оно проявляется в электронагреве тел (сред). Электронагрев происходит в результате поглощения веществом электромагнитной энергии. Под воздей­ствием электромагнитного поля свободные или связанные заряды вещества совершают различного рода перемещения. При этом за­ряды сталкиваются с нейтральными атомами, молекулами или за­рядами противоположного знака и отдают им часть своего приоб­ретенного в магнитном поле запаса кинетической энергии. В ре­зультате тепловое движение вещества усиливается, что проявляет­ся в повышении температуры вещества.

Однако это самая общая картина электронагрева. Вспомним, что электромагнитное поле включает в себя две составляющие. В одних случаях основным может быть электрическое поле, а маг­нитное выражено незначительно. В других случаях — наоборот. В третьих — обе части электромагнитного поля представлены весьма

заметно.

По характеру проводимости нагреваемые вещества подразде­ляют на проводники, полупроводники, диэлектрики. Носителя­ми зарядов в веществе могут быть электроны, ионы. Способ под­вода электромагнитной энергии к веществу может быть различ­ным.

В зависимости от сочетаний всех указанных условий различают способы электронагрева, отличающиеся конкретным механизмом

137

преобразования электрической энергии в тепловую (хотя в широ- ; ком плане механизм этого преобразования один).

Электронагрев сопротивлением состоит в том, что при протека­нии электрического тока по проводникам, включенным в элект­рическую цепь, в них выделяется теплота. Способ этот наиболее распространен. Вспомним водонагреватели на закрытых трубча­тых нагревателях, электрокалориферы; в быту — электроплитки, электросамовары, тефали, утюги и т. д.

Дуговой электронагрев заключается в том, что теплота выделяет­ся в электрической дуге, горящей в газовой среде. В сельскохозяй­ственном производстве этот вид нагрева применяют в электросва­рочных установках; в промышленности, кроме этого в электроду­говых печах. Отдельно можно отметить плазмотроны, о которых говорилось выше.

Индукционный нагрев состоит в том, что металлические изделия, главным образом проводники первого рода, нагреваются вихревы­ми токами, которые наводятся (индуктируются) в проводниках при помещении их в переменное магнитное поле. В сельском хо­зяйстве этот способ нагрева применяют для нагрева и закалки де­талей в ремонтном производстве, для нагрева воздуха, почвы, су­хих строительных смесей при их хранении, обогрева пола, стен и производственных помещений в целом, косвенного подогрева воды и т. п.

Диэлектрический нагрев заключается в том, что диэлектрики и полупроводники, помещенные в переменное электрическое поле, нагреваются за счет перемещения электрических зарядов при на­личии электрической поляризации. Наиболее яркий пример при­менения этого способа — установки УВЧ, которые используют для сушки древесины, сельскохозяйственных материалов и продуктов, а также их дезинсекции.

Магнитное действие тока. Оно отражает неразрывную связь электрических и магнитных явлений — протекание тока всегда со­провождается возникновением магнитного поля. На использова­нии взаимодействия магнитных полей и электрического тока и их взаимопревращении основан электромеханический метод преоб­разования электрической энергии в электродвигателях, тяговых электромагнитах, линейных двигателях и т. д. Магнитные поля используют и непосредственно в технологических процессах для изменения структуры и свойств неживой и живой материи, воз­действуя на нее на молекулярном уровне.

Механическое действие тока. В отличие от электродвижущих сил, действующих на элементарные заряды внутри тел, механи­ческое действие тока на заряженные материалы, проводники с током, электро- и магнитострикционные тела проявляется в виде работы по перемещению тел или изменению их объема и плот­ности.

138

Химическое действие тока. Оно состоит в том, что его протекание в проводниках второго рода с ионной проводимостью сопровожда­ется электролизом — окислительно-восстановительными реакция­ми на электродах, в результате которых могут быть получены ве­щества с новыми химическими свойствами.

Биологическое действие тока. Это действие, как уже говорилось, заключается в том, что ток (или поле) влияет на протекание жиз­ненных процессов в биологических объектах, причем это влияние может быть как стимулирующим, так и угнетающим.

Биологическое действие электрического поля зависит от его параметров, в частности напряженности поля Е, частоты со, плот­ности тока /, формы образуемого магнитного потока Ф, времени воздействия -г. Для каждого объекта нужны свои параметры поля и режимы воздействия.