РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПО ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕМЯН ЭСПАРЦЕТЫ ЭНЕРГИЕЙ СВЧ И УЛЬТРАЗВУКОМ. егоров_диплом_ГОТОВЫЙ. Зав кафедрой к т. н, доцент А. В. Бастрон 2010 г бакалаврская работа разработка технологической линии по предпосевной обработке семян эспарцеты энергией свч и ультразвуком 01. И 10. 26. Пз
 Скачать 2.61 Mb.
|
|
4 Теоретические основы работы СВЧ камеры 4.1 Устройство магнетрона Магнетроном называется генераторный, вакуумный, двухэлектродный прибор СВЧ, в котором движение электронов происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Перед тем как ознакомиться с работой магнетрона, необходимо вспомнить законы взаимодействия электронов с электрическим и магнитным полями, чем мы в данный момент и займемся. Движение электронов в электрическом поле На рисунке 4.1 показаны три основных случая движения одиночного электрона в однородном электрическом поле, созданном двумя плоскими электродами, обозначенными как анод (+) и катод (-).  Рисунок 4.1 – Варианты движения электронов в постоянном электрическом поле В первом случае (рисунок 4.1а) электрон влетает в поле, отрываясь от отрицательно заряженного катода. Для такого электрона поле будет ускоряющим. Оно действует на электрон с постоянной силой и заставляет его двигаться с ускорением вдоль силовых линий поля. При этом, кинетическая энергия электрона возрастает. Если он попадает в ускоряющее поле, не имея начальной скорости, то, достигнув анода, он приобретает скорость, равную:  где  - напряжение между анодом и катодом.Как видим, скорость электрона не зависит от пройденного расстояния, а определяется исключительно разностью потенциалов. Как известно, энергия не возникает из ничего. Приобретенную кинетическую энергию электрон отбирает у поля. Переместив отрицательный заряд с катода на анод, электрон снизил заряд обоих электродов и тем самым уменьшил напряженность поля между ними. Если электрон влетает в поле со стороны анода (рисунок 4.1б), имея некоторую начальную скорость, то поле будет для него тормозящим. Скорость движения электрона и его кинетическая энергия в тормозящем поле уменьшаются, так как в данном случае работа совершается не силами поля, а самим электроном, который за счет своей энергии преодолевает сопротивление сил поля. Энергия, теряемая электроном, переходит к полю. Имея достаточный запас энергии, электрон может долететь до катода, несмотря на действие тормозящих сил поля. Но если, не долетев до противоположного электрода, электрон израсходует свою кинетическую энергию, его скорость окажется равной нулю, а затем электрон будет двигаться в обратном направлении. При этом поле возвращает ему ту энергию, которую он потерял при своем замедленном движении. Теперь рассмотрим случай, когда электрон влетает в электрическое поле, имея начальную скорость, направленную под углом к силовым линиям поля (рисунок 4.1в). Помимо изменения величины скорости электрона, будет изменяться и направление его движения, так что траектория движения электрона становится криволинейной. Электрон под действием сил поля отклоняется в сторону положительного потенциала. Иногда для упрощения считают, что ток во внешней цепи вакуумного электронного прибора возникает в момент попадания электронов на анод. В действительности ток протекает и в процессе движения электронов от катода к аноду. Чтобы это уяснить, вспомним явление электростатической индукции. Пусть имеется электрически нейтральный проводник (рисунок 4.2а), к одному концу которого приближается отрицательный электрический заряд е. Тогда электроны, имеющиеся в проводнике, отталкиваясь зарядом е, сместятся в сторону удаленного конца и там образуется отрицательный заряд. На ближнем к заряду е конце получится недостаток электронов, т.е. положительный заряд. Процесс перераспределения зарядов есть не что иное, как электрический ток, поэтому на основании нашего мысленного эксперимента можно сделать обобщающий вывод: если отрицательный электрический заряд приближается к проводнику или удаляется от него, то в этом проводнике возникает ток, по направлению совпадающий с направлением движения заряда. В электронных приборах функцию индуктирующего заряда выполняют электроны, движущиеся от катода к аноду, а возникающий при этом ток во внешней цепи называется наведенным.  Рисунок 4.2. Возникновение наведенных токов В электронике СВЧ наведенные токи очень широко используются для возбуждения колебаний в резонаторах, которые являются составной частью большинства СВЧ приборов. В качестве примера рассмотрим электрическую схему на рисунке 4.2б. 3десь в области между анодом и катодом помещены обкладки конденсатора с отверстием в центре, так чтобы электроны могли беспрепятственно проходить сквозь него. Во внешней цепи обкладки замкнуты на катушку индуктивности, образуя колебательный контур. Предположим, электроны вылетают с катода поочередно по одному. Тогда первый электрон, пролетающий мимо обкладок конденсатора, вызовет во внешней цепи наведенный ток и в контуре возникнут электрические колебания. Помимо постоянной составляющей электрического поля, между обкладками появится переменная составляющая. Если после этого выпустить еще один электрон, то в интересующей нас области он либо получит дополнительное ускорение, когда переменное поле будет совпадать по направлению с постоянным, либо наоборот - замедлится в случае противоположной ориентации полей. В последнем случае электрон отдаст часть своей энергии контуру, увеличив амплитуду его колебаний. Выпуская электроны таким образом, чтобы они каждый раз попадали в тормозящее электрическое поле контура, мы можем возбудить в нем колебания любой амплитуды, которую только обеспечивает его добротность. Если же электроны будут влетать в пространство между обкладками в тот момент, когда там ускоряющее поле, то второй электрон погасит колебания, возбужденные первым, и дальше все будет происходить в том же духе: один электрон будет совершать работу, другой - ее уничтожать. Почти как в жизни: один человек, обливаясь потом и проклиная всеобщую грамотность, очищает лифт от надписей, второй с не меньшим упорством их восстанавливает. Оба трудятся, но, работая в противофазе, национальное богатство страны не увеличивают. 4.1.1 Движение электронов в магнитном поле Движущийся электрон представляет собой элементарный ток и поэтому испытывает со стороны магнитного поля такое же действие, как и проводник с током. Из электротехники известно, что на прямолинейный проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует механическая сила, направленная под прямым углом к магнитным силовым линиям и к направлению тока. Эта сила пропорциональна напряженности поля, величине тока и длине проводника, а также зависит от угла между проводником и направлением поля. Она будет наибольшей, если проводник расположен перпендикулярно силовым линиям; если же проводник расположен вдоль линий поля, то сила равна нулю. Когда электрон в магнитном поле неподвижен или движется вдоль его силовых линий, то на него магнитное поле вообще не действует. На рисунке 4.3 показано, что происходит с электроном, который влетает с начальной скоростью U0 в равномерное магнитное поле, перпендикулярно его силовым линиям. Под действием сил со стороны магнитного поля его траектория искривляется, он начинает двигаться по дуге окружности. При этом его скорость и кинетическая энергия не изменяются. Радиус окружности, по которой движется электрон, определяется по формуле:  ,где  и  - масса и заряд электрона,  - скорость электрона,  - напряженность магнитного поля. Рисунок 4.3 – Воздействие постоянного магнитного поля на движущийся электрон 4.1.2 Конструкция магнетрона Устройство магнетрона показано на рисунке 4.4. Он представляет собой вакуумный диод, анод которого выполнен в виде медного цилиндра, на внутренней стороне которого расположено четное число резонаторов. В магнетронах для микроволновых печей их, как правило, десять. Форма резонаторов может быть различной, но при этом они должны обладать следующими качествами: 1. Электрическое поле преимущественно сосредоточено в зазоре резонатора. 2. Все резонаторы сильно связаны между собой. 3. Резонаторы имеют высокую добротность. В дальнейшем для простоты мы будем рассматривать только одну конструкцию магнетрона, которая типична для микроволновых печей. Резонаторы в этом случае представляют собой секторы цилиндра. По сравнению с другими конструкциями эта более технологична и более экономична. Четные и нечетные перегородки между резонаторами соединены между собой связками, назначение которых мы выясним позже. Катод представляет собой спираль из вольфрама, поверхность которого имеет шероховатость для увеличения эмиссии. Выводы катода через металлокерамический переход и высокочастотный фильтр подключаются к внешнему разъему. Промежуток между анодом и катодом, называемый пространством взаимодействия, с торцов ограничен металлическими пластинами, препятствующими выходу электронов и СВЧ поля из этого пространства. Для отбора энергии вблизи одного из резонаторов подключена магнитная петля связи, которая через отрезок коаксиального волновода соединена с излучателем. Магнитное поле в пространстве взаимодействия создается двумя кольцевыми постоянными магнитами и магнитопроводом, в качестве которого служат корпус и фланец. Для более интенсивного охлаждения магнетрона анодный блок окружен радиатором. Для снижения паразитного излучения в месте соединения магнетрона с внешней цепью имеется металлическая оплетка. СВЧ фильтр состоит из катушек индуктивности на ферритовом сердечнике и проходных конденсаторов.   Рисунок 4.4 – Конструкция магнетрона микроволновой печи 4.1.3 Принцип действия магнетрона Рассмотрим вначале движение электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторах нет. Для упрощения изобразим анод без резонаторов (рисунок 4.5), как будто их забыли сделать. Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь вдоль его силовых линий, т.е. по радиусам от катода к аноду. Но как только они набирают некоторую скорость, постоянное магнитное поле начинает искривлять их траектории. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то радиус этого искривления постепенно увеличивается. Поэтому траектория электронов представляет собой не дугу окружности, а более сложную кривую - циклоиду. На рисунке показаны траектории электронов, вылетевших с катода с ничтожно малой начальной скоростью при разной напряженности магнитного поля Н. Анодное напряжение во всех случаях одно и то же. Если магнитное поле отсутствует, то электрон летит строго по радиусу (траектория 1 на рисунке 4.5). При напряженности поля, меньшей некоторого критического значения НКР, электрон попадает на анод по криволинейной траектории 2. Критическая напряженность поля соответствует более искривленной траектории 3. В этом случае электрон пролетает у самой поверхности анода, почти касаясь ее, и возвращается на катод. Наконец, если поле выше критического, то электрон еще более круто поворачивает обратно (кривая 4).  Рисунок 4.5 – Движение электронов в пространстве взаимодействия при различной индукции магнитного поля  Рисунок 4.6 Вращающееся электронное облако в пространстве взаимодействия Магнетроны работают при напряженности поля, несколько большей критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетают близко к поверхности анода на различных расстояниях от него в зависимости от начальной скорости. Поскольку одновременно движется очень большое количество электронов, можно считать, что в пространстве взаимодействия вращается: электронное облако в вице кольца (рисунок 4.6). Скорость вращения электронного облака зависит от приложенного напряжения и поэтому может регулироваться. Чтобы при ее увеличении электроны не попадали на анод, одновременно необходимо увеличивать и напряженность магнитного поля. Теперь вернем на место наши резонаторы. Все они сильно связаны между собой, так как магнитное поле каждого из них замыкается, проходя через смежные резонаторы (рисунок 4.7).  Рисунок 4.7 – Связь между резонаторами магнетрона с помощью магнитного поля Переменное электрическое поле в магнетронных резонаторах сосредоточено в области щели, причем значительная его часть проникает в область взаимодействия, что имеет принципиальное значение в работе магнетрона. Движение электронного облака в пространстве взаимодействия будет наводить токи в резонаторах. Однако в начальный момент увеличение амплитуды колебаний будет сдерживаться тем, что движение электронов не синхронизировано, и в то время, как одни электроны будут возбуждать колебания, отдавая им часть своей кинетической энергии, другие будут эти колебания гасить. Кроме того, если сдвиг фаз в соседних резонаторах не синхронизирован со скоростью электронов, то один и тот же электрон, отдавая энергию одному резонатору, будет ее тут же отбирать у другого. Обычно для нормальной работы магнетрона требуется, чтобы фазы соседних резонаторов были смещены на 1800, т.е. на π радиан. Поэтому такой вид колебаний называется π - видом. Чтобы способствовать возбуждению этого вида и препятствовать возбуждению остальных, в магнетроне используются металлические связки, которые электрически соединяют между собой четные и нечетные резонаторы. Предположим, что в какой-то момент времени в резонаторах случайным образом возникли колебания нужного нам вида (рисунок 4.8). Попытаемся доказать, что при правильно заданных режимах магнетрона эти колебания будут усиливаться за счет автоматической группировки электронов. В любой точке пространства взаимодействия мы можем рассматривать СВЧ поле как сумму двух составляющих: радиальной - направленной по радиусу от центра магнетрона, и перпендикулярной ей касательной составляющей. Рассматривая рисунок 4.8, можно заметить следующую характерную особенность: во всем пространстве, находящемся под отрицательным сегментом, радиальная составляющая поля направлена к катоду, а во всем пространстве под положительным сегментом она направлена к аноду (поле считаем направленным в ту сторону, куда движется электрон под действием этого поля). Границами, разделяющими эти пространства, являются плоскости, проходящие через ось магнетрона и середины щелей. Обозначим одну из таких плоскостей буквами АА. Слева от этой плоскости радиальная составляющая будет ускорять электроны, поскольку она совпадает по знаку с постоянным анодным напряжением. Так как под влиянием магнитного поля направление скорости изменяется, то через некоторое время увеличение скорости в радиальном направлении превращается в увеличение скорости по направлению к плоскости АА. Поэтому электроны, находящиеся под положительным сегментом, догоняют электроны, находящиеся в плоскости АА. Электроны, находящиеся под отрицательным полюсом, тормозятся радиальной составляющей СВЧ поля, поэтому их скорость в направлении движения электронного облака снижается. В результате образуются области электронных скоплений, по форме напоминающие спицы колеса, как это показано на рисунок 4.9. Эти спицы вращаются с такой скоростью, чтобы за половину периода проходить расстояние от одной резонаторной щели до другой.  Рисунок 4.8 – Распределение силовых линий переменного электрического поля в пространстве взаимодействия  - радиальная составляющая СВЧ поля - касательная составляющая СВЧ поля - поле, созданное анодным напряжением Рисунок 4.9 – Форма вращающегося электронного облака в работающем магнетроне В этом случае электроны, находящиеся в спицах, пролетая над щелями резонаторов, могут постоянно попадать в тормозящее поле касательной составляющей и отдавать ему энергию, накопленную во время движения по радиальной составляющей. Таким образом, основная роль касательной составляющей СВЧ поля заключается в преобразовании кинетической энергии электронов в энергию колебаний, а основная роль радиальной составляющей заключается в преобразовании равномерного электронного облака в колесо от телеги. Рассмотрим более подробно движение отдельного электрона в двух случаях: когда он находится в спице и когда он вне ее. Как уже отмечалось, при отсутствии СВЧ поля электрон, вылетевший с катода со скоростью, равной нулю, совершит круг почета вблизи анода и вновь вернется на катод. Причем скорость в конце пути будет той же, что и в начале, т.е. в нашем случае нулевой. При наличии СВЧ поля возможны два случая: 1 Допустим, электрон находится в области спицы. Тогда, вылетев с катода, он будет разгоняться анодным напряжением и за счет магнитного поля постепенно изменять направление движения. Влетев в тормозящее СВЧ поле, он отдаст ему часть своей кинетической энергии, и его скорость снизится. В результате ему не хватит оставшейся энергии, чтобы долететь обратно до катода. В какой-то момент он остановится, а затем вновь начнет движение к аноду под воздействием анодного напряжения. Все предыдущие процессы повторятся, за исключением того, что точкой начала движения будет не катод. В этом же духе будут происходить и последующие циклы, пока в конце концов электрон не доберется до анода. Таким образом, электрон на пути к аноду проходит по сложной траектории (рисунок 4.10) несколько раз, отдавая свою энергию СВЧ полю. 2 Возможен, однако, и другой случай. Если при прочих равных условиях электрон вылетел с катода в момент, когда он находился между спицами, то он попадет в ускоряющее СВЧ поле, и поэтому ему после правого разворота в магнитном поле вполне хватит энергии врезаться в катод. Избыток кинетической энергии выделится в виде тепла, приводя к дополнительному разогреву катода.  Рисунок 4.10 – Траектория электрона, находящегося в "спице", при движении от катода к аноду 4.2 Взаимодействие микроволновой энергии с веществом Для того чтобы понять за счет чего происходит нагрев в микроволновой печи, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами вещества. Электромагнитное поле проявляет себя и как магнитное, и как электрическое, но, поскольку продукты, приготавливаемые в микроволновой печи, являются диэлектриками, воздействие магнитного поля на них пренебрежимо мало и его можно не учитывать. Диэлектрические свойства материалов могут интересовать нас по двум причинам. Во-первых, приготавливаемые продукты должны максимально поглощать СВЧ энергию, в противном случае возможно ее отражение обратно в магнетрон со всеми вытекающими последствиями. Во-вторых, в камере микроволновой печи имеются диэлектрические детали конструкции (СВЧ-окна, поддоны и т.д.), которые не должны подвергаться нагреву под воздействием микроволновой энергии. Диэлектриками принято называть вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля. Такое поле может длительно сохраняться лишь в средах, плохо проводящих электрический ток. Электропроводность - способность проводить электрический ток - обусловлена наличием в веществе свободных носителей заряда – электрически заряженных частиц, которые под воздействием внешнего электрического поля направленно перемещаются сквозь толщу материала, создавая ток проводимости. Параметром вещества, количественно определяющим его электропроводность, является удельное объемное сопротивление  , измеряемое в Омах на метр  . Носителями заряда в диэлектриках могут быть ионы, электроны и молионы - заряженные коллоидные частицы. У реальных диэлектриков  , что практически означает отсутствие протекающего через них тока.Параметром диэлектрического материала, определяющим его способность противостоять пробою, является электрическая прочность  - напряженность электрического поля в диэлектрике, при достижении которой происходит его пробой. Механизм пробоя диэлектриков может иметь различный характер. Основными видами пробоя твердых диэлектриков являются электрический и тепловой. Электрический пробой представляет собой разрушение диэлектрика силами электрического поля и сопровождается образованием электронных лавин. Тепловой пробой обусловлен нагревом диэлектрика до критической температуры вследствие диэлектрических потерь, при нарушении в диэлектрике теплового равновесия. Электрическая прочность диэлектриков при тепловом пробое составляет 1 - 10 кВ/мм, при электрическом - примерно 100 - 1000 кВ/мм.Помимо удельного объемного сопротивления, для краткости обычно называемого удельным сопротивлением, для твердых диэлектриков в качестве параметра вводят также удельное поверхностное сопротивление  . Очень часто пробой диэлектрика происходит именно по поверхности, особенно при работе в загрязненных или увлажненных средах. Рисунок 4.12 – Смещение электронной орбиты под воздействием электрического поля Одним из важнейших параметров диэлектрических материалов является диэлектрическая проницаемость. Различают относительную диэлектрическую проницаемость  (прежде  ) и абсолютную диэлектрическую проницаемость  ( - электрическая постоянная или, по старой терминологии, диэлектрическая проницаемость вакуума, равная  ).По физическому смыслу диэлектрическая проницаемость - количественная мера интенсивности процесса поляризации. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. Основными видами поляризации являются электронная, ионная и дипольная. Электронная поляризация - упругое смещение электронных орбит относительно ядер в атомах и молекулах под действием внешнего электрического поля. В качестве примера можно рассмотреть поляризацию атома водорода, состоящего из положительно заряженного ядра и вращающегося вокруг него электрона. Если поле отсутствует, то центр, вокруг которого вращается электрон, совпадает с центром ядра и, соответственно, заряды полностью нейтрализуют друг друга. В присутствии электрического поля электрон смещается относительно ядра, как это показано на рисунок 4.12, центр вращения электрона и центр ядра расходятся в пространстве и образуется диполь. Электронная поляризация происходит во всех диэлектриках независимо от присутствия в них других видов поляризации. Ионная поляризация - это упругое смещение противоположно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки. Присутствует в кристаллических веществах. Ионная и электронная поляризации происходят без потерь энергии. Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Полярные молекулы имеют несимметричное строение. Центры тяжести разноименных зарядов у них не совпадают, и поэтому в отсутствие внешнего электрического поля эти молекулы представляют собой диполи. Характерным представителем дипольных диэлектриков является вода, молекула которой показана на рисунок 4.13. Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Связь между атомами осуществляется за счет того, что электрон каждого из атомов водорода образует пару с одним из атомов кислорода, которая является общей для обоих атомов. Поскольку размеры и свойства атомов водорода и кислорода различны, наличие такой пары приводит к смещению центров положительного и отрицательного зарядов относительно друг друга. Дипольный момент возникает из-за того, что оси между центрами атомов водорода и центром атома кислорода не совпадают. Угол между ними составляет примерно  . Этот, на первый взгляд, незначительный факт имеет далеко идущие последствия. Свойства воды как растворителя объясняются главным образом существованием у ее молекулы дипольного момента. Этот момент играет важную роль и в химических реакциях, происходящих в присутствии воды. Трудно вообразить, на что был бы похож мир, если бы атомы в молекуле воды располагались по прямой линии, как в некоторых других веществах. Скорее всего, наблюдать это было бы некому. Рисунок 4.13 – Молекула ВОДЫ Свойства диэлектриков, состоящих из полярных молекул, существенно отличаются от диэлектриков с другими видами поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей близка к 2, в то время как для воды она равна примерно 80. Сущность дипольной поляризации состоит в повороте диполей в направлении электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля молекулы полярного диэлектрика, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентированы произвольным образом (рисунок 4.14а) и какое-либо выделенное направление отсутствует. Ситуация изменится, если диэлектрик поместить в электрическое поле. Электростатические силы будут стремиться развернуть диполи вдоль силовых линий. В результате дипольные молекулы частично ориентируются вдоль поля, причем степень их ориентации будет зависеть от напряженности приложенного поля. В идеальном диэлектрике отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому его суммарный заряд всегда равен нулю. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле за счет ориентации диполей вдоль силовых линий на противоположных сторонах диэлектрика образуются нескомпенсированные заряды, которые создают внутреннее поле, по направлению обратное приложенному (рисунок 4.14б). В результате суммарное поле в диэлектрике оказывается меньше, чем поле в свободном пространстве, при прочих равных условиях. Таким образом, диэлектрическую проницаемость можно рассматривать как меру, характеризующую степень снижения напряженности электрического поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Однако с точки зрения микроволновой техники более существенным является то, что скopocть распространения электромагнитных волн в веществе пропорциональна  . Для пояснения этого факта и вытекающих последствий рассмотрим картинку на рисунок 4.15.Электромагнитная волна распространяется по волноводу со скоростью U0 и на некотором участке попадает в область, заполненную диэлектриком. В результате ее скорость уменьшается в раз, что приводит к такому же сокращению длины волны. Волна в диэлектрике как бы сжимается в продольном направлении. При этом энергия электромагнитного поля, запасенная на участках, огpaниченных длинами  и  , одна и та же, поскольку размеры участков на рисунке выбраны таким образом, чтобы на них умещалась ровно одна длина волны. Из этого можно сделать следующий качественный вывод: чем выше диэлектрическая проницаемость вещества, тем больше плотность запасаемой в нем электромагнитной энергии. Количественные оценки более сложны и зависят от типа волны, формы диэлектрика и т.д.. Рисунок 4.14 – Дипольная поляризация диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля  Рисунок 4.15 – Изменение характеристик поля в волноводе при его заполнении диэлектриком Может показаться, что возникает некоторое противоречие в полученных выводах: с одной стороны, из-за поляризации, амплитуда поля в диэлектрике уменьшается, а с другой - возрастает запасенная энергия. Но это противоречие кажущееся. В подтверждение этих слов приведем пример из электростатики. Если между обкладками обычного конденсатора поместить диэлектрик, то его емкость, а соответственно и запасенная энергия возрастут. В то же время напряженность поля между обкладками уменьшится. Теоретически волновод можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из набора индуктивностей и емкостей, и поэтому приведенный пример с конденсатором не пустая абстракция, а вещественное доказательство. Поляризация диэлектрика приводит к изменению напряженности электрического поля не только внутри него, но и снаружи. Рассмотрим как это происходит. Предположим, между обкладками заряженного конденсатора помещен диэлектрический шар (рисунок 4.16а). В результате поляризации, вблизи его полюсов образуются электрические заряды, компенсирующие поле внутри диэлектрика. Но эти же заряды создадут и внешнее электростатическое поле, как это показано на рисунке 4.16б. Поэтому вне шара, как и внутри него, электрическое поле будет складываться из поля, которое существовало бы в отсутствие шара и поля образованного зарядами поляризованного диэлектрика. Результирующая картина поля показана на рисунке 4.16в. Внешне все выглядит так, как будто силовые линии поля втягиваются в диэлектрик. Иногда бывает удобно считать, что чем выше εr, тем сильнее происходит втягивание силовых линий внутрь диэлектрика. Но при этом полезно не забывать, что на самом деле этого, конечно, не происходит. Все это не более, чем своеобразный электромагнитный мираж. Мы рассмотрели влияние диэлектрика на электростатическое поле конденсатора. То же самое происходит и в динамике, в СВЧ устройствах, с той лишь разницей, что амплитуда полей постоянно меняется. (В некоторых материалах, СВЧ все же вносит свою специфику. Это проявляется в наличии гистерезиса, явления при котором поле диполя отстает по фазе от внешнего поля.) Еще одним важным параметром диэлектрических материалов являются диэлектрические потери. Они служат для определения электрической мощности, затрачиваемой на нагрев диэлектрика находящегося в электрическом поле. В справочной литературе для характеристики способности диэлектрика поглощать энергию пepeмeннoro электрического поля используют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Столь замысловатый термин используется потому, что непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, и поэтому удобен при технических расчетах. Физический смысл tgδ состоит в следующем: в случае диэлектрика без потерь ток в емкостной цепи опережает напряжение на угол  . Наличие потерь приводит к сдвигу фазы между током и напряжением, и угол между ними становится меньше на величину δ. Количественно потери оказываются пропорциональны tgδ, отсюда и удобство использования этой величины. Рисунок 4.16 – Изменение электрического поля конденсатора при помещении между его обкладками шар из полярного диэлектрика Рассмотрим два основных вида диэлектрических потерь. 1. Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих низкое удельное объемное сопротивление. К таким диэлектрикам, в частности, относится вода. Химически чистая вода считается хорошим диэлектриком, но в природе она чистой не бывает. (Для этого вовсе не обязательно, чтобы в ней мыли сапоги). Вода является прекрасным растворителем и поэтому всегда содержит массу примесей. Известно, что в морской воде содержится вся таблица элементов Менделеева, включая и те элементы, о существовании которых он только догадывался. Поэтому электропроводность воды определяется не столько молекулами самой воды, сколько содержащимися в ней примесями, которые могут диссоциировать на положительно и отрицательно заряженные ионы. Под воздействием переменного электрического поля ионы начинают двигаться в такт изменяющемуся полю, попутно расталкивая встречающиеся на пути молекулы воды и таким образом преобразуя электрическую энергию в тепловую. Причем концентрация примеси не обязательно должна быть высокой. Достаточно одного иона на тысячу молекул воды, чтобы вода перестала быть диэлектриком и перешла в разряд полупроводников. 2. Релаксационные потери обусловлены поворотом полярных молекул в направлении силовых линий электрического поля. Каждый поворот требует некоторых затрат энергии. Поскольку ориентация поля меняется на противоположную дважды за период, то чем выше частота, тем чаще происходит выяснение отношений между молекулами и тем больше энергии превращается в тепло. Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:  где Е - напряженность электрического поля,  - круговая частота.Из приведенного выражения следует, что потери в веществе определяются произведением диэлектрической проницаемости Е на tgδ. Это произведение иногда называют коэффициентом диэлектрических потерь. Чтобы представлять степень нагрева того или иного вещества в электрическом поле, необходимо знать его Е и tgδ. Заключение В бакалаврской работе были рассмотрены существующие способы предпосевной обработки семян бобовых культур. Также был проведен патентный обзор по технологическим линиям предпосевной обработке семян с использованием СВЧ поля и ультразвука, на основании этого была разработана технологическая линия обработки семян эспарцета с помощью ЭМПСВЧ и ультразвука. Произведен расчет и выбор электродвигателей для поточной линии, разработана принципиальная схема управления поточной линией. Произведен выбор электрической проводки и выбор аппаратуры управления и защиты. Рассмотрено устройство и принцип действия магнетрона. Библиографический список Анализ использования СВЧ-энергии в агропромышленном комплексе [Текст]. Бордин И.Ф.-В сб.: Использование СВЧ-энергии в сельскохозяйственном производстве. - Зерноград, ВНИПТИМЭСХ, с5-13. Бекетов А.И. Влияние электромагнитных полей на биологические объекты [Текст].-М.: Агропромиздат,1973.-168 с. Большама Я.М., Крупович В.И, Самовера М.Л. Справочник по проектирование электропривода, силовых и осветительных установок [Текст]. Энергия, 1975. Бородин И.Ф., Неделько Н.М. Автоматизация технологических процесов [Текст]. -М.: Агропромиздат,1986.-368 с. Брицын Н.Д. Нагрев в электрическом поле сверхвысокой частоты [Текст].- М.: Машиздат,1957.- 327 с. Васин В. М. Электрический привод [Текст].- М.: Высшая школа, 1984. Груздев Г. С., Зинченко В. А., Калинин В. А., Словцов Р. И. Химическая защита растений [Текст]. – М.: Колос, 1974. – 376 с. Кайшева Л. И., Кулик А. Г., Гудым В. А., Шептур А. А.. Выделение твердых семян люцерны на виброфрикционном сепараторе [Текст]. - Послеуборочная обработка семян на вибрационных семеочистительных машинах: Сб. науч. тр. / Моск. ин-т инженеров с.-х. пр-ва им В. П. Горячкина; Науч. Ред. П. М. Заика.: МИИСП, 1987.с 147. с 140-145. Кайшева Л. И., Кулик А. Г., Логвиненко Н. Д., Рубин К. Ф. Ультра-звуковой скарификатор семян [Текст]. – Совершенствование конструкций, улучшение ремонта и эксплуатации сельскохозяйственной техники . Сборник научных трудов, том 312, Харьков. 1985, с 30-34. Мухина Н. А. и др. Кормовые культуры Сибири [Текст]. М.: - Россельхозиздат., - 1986, - 160 с. Рекомендации по борьбе с вредителями и болезнями многолетних трав [Текст]. Редактор Э. Н. Орлова. М.: - Россельхозиздат. 1971, - 38 с. Соловьев А. М., Савина О. В., Марков А. И., Долгов С. М. Облучение семян кормовой свеклы факторами электромагнитной природы [Текст]. – Применение электроэнергии и эксплуатация устройств систем электроснабжения сельского хозяйства: Сб. научн. тр./ Московский государственный агроинженерный ун-т имени В. П. Горячкина. М.: 1993. с 59-66. Тамонов А. М. Скарификация семян многолетнего люпина [Текст]. // Земледелие – 1994. №1 – с 37. Торосян Р. Н. Тютюнникова В. А. Обработка твердых семян ультра-звуком [Текст]. – Вестник сельскохозяйственной науки, М.: 1965, № 2. с 109. Ультразвук. Маленькая энциклопедия [Текст]. / Гл. редактор И. П. Голямина. – М.: Сов. энциклопедия, 1979. 400 с., с 102-103. Фоменков А.П. Электропривод сельскохозяйственных машин, агрегатов и поточных линий [Текст]. -М. :Колос, 1984. Цугленок Н. В., Цугленок Г. И., Холанская А. П. Система защиты зерновых и зернобобовых культур от семенных инфекций [Текст] / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2003. – 243 с. Электромагнитное управление ростовыми процессами в растениеводстве [Текст] / Бородин И. Ф. // Автоматиз. с.-х. пр-ва: Тез. докл. междунар. научн. – техн. конф., Углич, 13-16 мая, 1997. Т. 1. – С. 3-4 - Рус. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок [Текст]. Л.С. Герасимович-М. : Колос, 1980. 01.ИЭ2.10.26.ПЗ |