Основные сведения. В случае малых потерь , и формулы для вычисления a (5.13) и b (5.14) упрощаются (при x ® 0 .)

В случае малых потерь , и формулы для вычисления a (5.13) и b (5.14) упрощаются (при x ® 0 .)

, откуда с учетом (5.24) следует

. (6.1)

Аналогичным образом из формулы (5.14) с учетом (5.10) получаем

. (6.2)

Параметры ЭМВ в диэлектриках с потерями. С учетом выражения (6.2) запишем параметры ЭМВ для диэлектриков:

; (6.3)

, (6.4)

где величина v_em – скорость света в диэлектрике с e и m.

. (6.5)

Таким образом, волновое сопротивление диэлектрика можно считать чисто активным, так как при tgd < 0,1 для диэлектриков d < 6°.

Соответственно для вакуума из формул (6.1)–(6.4) получаем

; ; ; . (6.6)

Поведение диэлектриков в ЭМП. Еще М. Фарадей обнаружил, что, помещая диэлектрик между обкладками конденсатора, можно увеличить емкость конденсатора в e раз. Поскольку ток проводимости в диэлектрике практически отсутствует, данное явление можно объяснить поляризацией диэлектрика [1].

Напомним, что электрическим диполем называется совокупность двух точечных разноименных электрических зарядов q, равных по величине и разнесенных на малое расстояние l, которое называется плечом диполя.

Моментом электрического диполя называется вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль которого равен произведению заряда на плечо [2].

Поведение диэлектриков в ЭМП зависит от их молекулярной структуры.

Неполярные диэлектрики (рис. 6.1) имеют молекулы или атомы, у которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (рис. 6.1а).

Под влиянием внешнего электрического поля возникает электронная поляризация (смещение электронных орбит – см. рис. 6.1б) и индуцируется дипольный момент.

Полярные диэлектрики имеют молекулы, обладающие постоянными дипольными моментами. Центры положительного и отрицательного зарядов в данных молекулах не совпадают, поскольку в молекулах содержатся атомы различных веществ. У полярных диэлектриков выделяют атомнуюи упругую поляризации.

Атомная поляризация характерна для твердых веществ типа хлорида натрия (NaCl) (рис. 6.2). Хотя каждая отдельная пара ионов Na⁺Cl^– представляет собой диполь (рис. 6.2а), в целом из-за образования ионной решетки такой диполь свободно вращаться не может. Под действием внешнего поля происходит изменение дипольного момента из-за того, что ЭМП «растягивает» ионы диполя (рис. 6.2б).

Упругая дипольная поляризация характерна для воды и других полярных жидкостей, дипольные моменты которых могут вращаться (рис. 6.3). Из-за теплового движения дипольные моменты направлены хаотически (рис. 6.3а). Под действием электрического поля происходит ориентационная поляризация вещества: дипольные моменты стремятся ориентироваться по полю [1] (рис. 6.3б). С ростом частоты ЭМП из-за инерционности молекул (молекулы не успевают поворачиваться в такт с изменением ЭМП) эффект ослабляется. Из-за взаимодействия между молекулами энергия ЭМП преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию вещества.

Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария) имеют области (домены) с самопроизвольной поляризацией. Появление ЭМП приводит к лавинообразному ориентированию дипольных моментов всех доменов, поэтому e у сегнетоэлектриков достигает значительных величин.

Магнитные свойства диэлектриков (в отличие от ферромагнетиков) проявляются слабо и практически не принимаются в расчет.

Изотропные линейные магнетики разделяют на две группы – парамагнетики и диамагнетики [1].

Магнитный момент создается в веществе под влиянием магнитного поля в результате упорядоченной ориентации молекулярных токов.

В диамагнетиках внешнее магнитное поле индуцирует внутриатомные кольцевые токи, ослабляющие результирующее поле, поэтому m < 1. Диамагнетизм проявляется во всех веществах, но его влияние может оказаться пренебрежимо малым по сравнению с парамагнетизмом и ферромагнетизмом.

В парамагнетиках атомы имеют собственные магнитные моменты, создаваемые орбитальным движением электронов. Под действием внешнего магнитного поля данные моменты ориентируются, и результирующее поле увеличивается, поэтому m > 1.

Магнитные свойства парамагнетиков и диамагнетиков проявляются весьма слабо, поэтому часто полагают, что для этих веществ m» 1.

Магнитные свойства ферромагнетиков проявляются достаточно сильно.

В технике СВЧ используют анизотропные свойства ферритов.

Известно явление ферромагнитного резонанса, при котором энергия ЭМП поглощается в феррите. Подробнее вопросы применения ферритовых устройств рассмотрены в теме 13.

Поглощение ЭМП веществом. Многие вещества, подвергаемые тепловой обработке (пищевые продукты, глина и т. п.), содержат в себе значительное количество воды или имеют схожий с водой механизм поляризации. Упругая дипольная поляризация, характерная для воды и других полярных жидкостей, позволяет использовать энергию ЭМП для нагрева веществ.

В молекуле воды положительный заряд сосредоточен около атомов водорода, а отрицательный – около атома кислорода, что позволяет представить молекулы воды в виде диполей (рис. 6.3). Для перехода диполя из неупорядоченного состояния (рис. 6.3а) в упорядоченное (рис. 6.3б) требуется некоторое время (время релаксации).

Если период колебаний переменного ЭМП будет меньше времени релаксации, то получить упорядоченное состояние диполей невозможно [1]. Под действием ЭМП дипольные моменты стремятся ориентироваться по полю, при этом им необходимо преодолевать сопротивление трения вязкой среды. В результате энергия ЭМП с малыми потерями переходит в тепловую энергию вещества, что используется в технике микроволнового (диэлектрического) нагрева.

Повышение частоты имеет ограничение, связанное с поверхностным эффектом. С увеличением частоты размер скин-слоя уменьшается, поэтому если минимальный размер объекта превышает 2D°, то ЭМП во внутренние слои вещества не проникает. Данная особенность заставляет в каждой конкретной задаче искать компромисс при выборе рабочей частоты.

Явление поглощения ЭМВ веществом широко применяется в электротермии. Микроволновый нагрев также находит применение и в других областях: обеззараживание воды и молока, дробление горных пород и т. п.

Список рекомендуемой литературы: [ 1, гл. 8, с. 39–44; 2, с. 56–57; 3, гл. 8, с. 35–40; 4, с. 33–38; 5, с. 38–41; 6, с. 142–145, 149–152; 7, с. 82–86; 8, с. 126–142; 10, с. 61–65; 11, с. 134–138; 12, с. 187–194; 13, с. 64–68, 176–177].

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение диэлектрика с точки зрения теории ЭМП.

2. Какие разновидности диэлектриков можно выделить в зависимости от молекулярной структуры вещества и ЭМ свойств?

3. Дайте определение поляризуемости и намагниченности вещества.

4. На какие группы делятся вещества в зависимости от их магнитных свойств?

5. Укажите физические основы микроволнового нагрева.

6. Как определяется оптимальная частота при диэлектрическом нагреве?

7. Сравните характеристики распространения ЭМВ в диэлектриках с потерями, без потерь и в проводящих средах.

Т ема 7. эмп в проводниках

Коэффициенты фазы и ослабления при большом tg d. Длина волны. Фазовая и групповая скорость. Волновое сопротивление. Проникновение ЭМП в проводник, поверхностный эффект, глубина проникновения.

Сопротивление цилиндрического провода. Случай слабо и сильно выраженного поверхностного эффекта. Частотная характеристика поведения импеданса проводника. Понятие поверхностного импеданса.

Приближённые граничные условия Леонтовича, условия их применимости. Расчет потерь энергии в проводниках. Понятие экрана для ЭМП. Выбор материала проводников для экранирования и локализации ЭМП.