GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW

Transkrypt

1 GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW Nagrzewanie pojemnościowe jest nagrzewaniem elektrycznym związanym z efektami polaryzacji i przewodnictwa w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych. Nagrzewnice pojemnościowe składają się w zasadzie z generatora wielkiej częstotliwości i przyłączonych do niego elektrod grzejnych, pomiędzy którymi umieszczany jest wsad. Dielektryki są substancjami praktycznie nie posiadającymi swobodnych nośników prądu elektrycznego. O właściwościach energetycznych ciała decydują ładunki związane mogące wykonywać jedynie nieznaczne ruchy wokół położenia równowagi. Zewnętrzne pola elektryczne E powodują ich polaryzację, czyli przesunięcie ładunków ujemnych względem dodatnich, co prowadzi do powstania momentu dipolowego w każdym elemencie objętościowym dielektryka. Makroskopowo zjawisko polaryzacji postrzegane jest jako gromadzenie się ładunków na powierzchni dielektryka (obojętnego jako całość). Ładunki te osłabiają pole elektryczne w dielektryku w stosunku do zewnętrznego pola (E), co wiąże się z występowaniem w dielektryku dodatkowego pola elektrycznego zwanego polem indukcji elektrycznej: D=ε E Jeżeli dielektryk jest izotropowy, to wektory E i D mają ten sam kierunek i dla wielu substancji przy niezbyt dużym polu elektrycznym i przy niezbyt dużych częstotliwościach zmian pola (E) indukowane pole (D) jest proporcjonalne do pola zewnętrznego, współczynnik proporcjonalności (ε) jest nazywany przenikalnością dielektryczną substancji i jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji. Dla zmiennych pól elektromagnetycznych ε jest funkcją częstotliwości i temperatury. Szybkość zmian indukcji dielektrycznej wymusza prąd przesunięcia o gęstości J = D D, który jest jedynym e idealnym dielektryku. W praktyce nie istnieją dielektryki idealne. W rzeczywistych substancjach występują starty dielektryczne, o których decyduje ilość traconej energii pola elektromagnetycznego na resztkowej przewodności wywołującej prąd przewodzenia o gęstości J P = γe. W dielektrykach stratnych generowane są źródła ciepła związane z efektami polaryzacji i przewodnictwa ładunków prowadzące do nagrzewania pojemnościowego. Nagrzewanie pojemnościowe nazywane jest czasem nagrzewaniem dielektrycznym (termin mniej precyzyjny ze względu na stosowanie tej metody również do nagrzewania półprzewodników). Efekt nagrzewania wynika z różnych rodzajów polaryzacji. Wzmacniany jest czasem zjawiskami przewodnictwa jonowego, elektronowego i dziurowego. Zasadne mogło by się wydawać oddzielenie rozważanej czystej metody pojemnościowej, związanej wyłącznie z polaryzacją oraz metod nagrzewania skojarzonego, gdy efektom tym towarzyszy zjawisko Joule a w ośrodkach stałych bądź ciekłych. Tego rodzaju podejście nie przyjęło się, a kompleksowość ujęcia użytkowych efektów cieplnych polaryzacji i Joule a pod wspólną nazwą nagrzewania pojemnościowego znalazła swój wyraz w teorii tej metody. Przekształcając równania Maxwella (przepływu i indukcji elektromagnetycznej), otrzymuje się kolejno: 1

2 D rot H = J + (1.1) B= µ H B rote = rote = H µ (1.) Po zastąpieniu zapisu dla 1-szej harmonicznej i uwzględnieniu zależności (1.1): E rotrot E = γe + ε µ (1.3) Po uwzględnieniu, że: rotrote = graddive = E (1.4) Otrzymuje się: E E E = µγ + µε (1.5) Dla przebiegów sinusoidalnych powyższą zależność można przekształcić do postaci: E = ( jωµγ ω µε)e () Gdzie: ε,μ przenikalność dielektryczna i magnetyczna; ω pulsacja; γ konduktywność Trudności w wyznaczaniu konduktywności dielektryków (wartości niezmiernie małe < S/ m), skłoniły do określenia jej zastępczymi wielkościami. Rozpatrywany jest układ przedstawiony na poniższym rysunku:

3 3

4 4

5 5

6 U A [V] P A [W] P Ż [W] I F [μa] Uwagi Odczep 0 Odczep n C. Opracowanie wyników C1. Opisać obserwacje poczynione przy wykonywaniu doświadczenia z rozchodzeniem się energii pola elektromagnetycznego w.cz. C. Na podstawie wyników otrzymanych z pomiarów fali stojącej określić długość fali i częstotliwość pola elektrycznego oraz oszacować dokładność tych pomiarów. C3. Metoda fotometryczna pomiaru mocy wyjściowej generatora w.cz.: - narysować charakterystykę skalowania układu fotometrycznego - narysować zależność mocy wyjściowej generatora od napięcia anodowego dla wybranych odczepów indukcyjności dodatkowej - określić sprawność energetyczną generatora w.cz. - podać znaczenie indukcyjności w obwodzie z obciążeniem rzeczywistym, czyli kondensatorem grzejnym oraz skomentować otrzymaną wartość sprawności energetycznej generatora. C4. W podsumowaniu zamieścić wnioski i uwagi wynikające z przeprowadzonych doświadczeń w wykonanym ćwiczeniu. 6