Билет№68. «равнение тепловых эффектов электромагнитного поля УВЧ и СВЧ-диапазонов в проводнике и диэлектрике» (лабораторная работа)

«равнение тепловых эффектов электромагнитного поля УВЧ и СВЧ-диапазонов в проводнике и диэлектрике» (лабораторная работа)

Цель:Исследование теплового воздействия переменного электрического поля УВЧ-диапазона и электромагнитного поля СВЧ-диапазона на диэлектрики и проводники.

Теория: В живых тканях, находящихся в электромагнитных полях, возникают токи смещения и проводимости. Значительный ток смещения возникает только в физических средах, пребывающих в высокочастотных полях. Нагревание живых тканей, помещенных между электродами аппарата УВЧ-терапии (v=40.68МГц, лямда=7,37м), обусловлено током смещения, возникающих в этих тканях под действием электрополя. Тепло выделяется преимущественно в диэлектрических компонентах тканей, тогда как проводники нагреваются слабо. Тепловой эффект СВЧ-терапии (v=2375 МГц, лямда=12,6см) связан с током смещения, в основе которого преимущественно лежат релаксацционные колебания молекул воды. Наибольшее выделение тепла происходит в органах и тканях, богатых водой(кровь,, лимфа, мышечная ткань)

Модель проводника – 0,9% натрийхлор., а модель диэлектрика – касторовое масло. Выделение тепла в электролите и диэлектрике оценивают по скорости повышения температуры каждой из исследуемых жидкостей. Наблюдение проводят в течение 10 мин.

Основные части генератора: колебательный контур, вкл в анодную цепь, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, частота которых определяется индуктивностью L_a и емкостью C_A контура, источник электрической энергии Е_А, электролампы Л1 и Л2, катушка связи L_C

Измеряемые величины: t начальная, а также изменение ее через каждые 2 мин, до 10 мин.

Вывод: Порог изменения температуры за время показал, что для УВЧ излучения молек касторового масла нагрелся быстрее, чем физ р-р, т.к. нагревание р-ра обусловлено током смещения, возникающим в этих тканях под действием электрополя. Тепло выделяется преимущественно в диэлектрических компонентах, тогда как проводники нагреваются слабо.

Источник

Изучение нагревания электролитов и диэлектриков в электрическом поле высокой частоты с помощью аппарата УВЧ

При высокочастотных токах изменение направления тока происходит миллионы и десятки миллионов раз в секунду, поэтому ионы, входящие в систему живого вещества настолько мало успевают переместиться за время течения тока в одном направлении, что необратимые нарушения нормальной концентрации ионов в клетках и прочие нежелательные эффекты, имеющие место при действии токов низкой частоты, практически отсутствуют. Вместе с тем ничтожно малые перемещения ионов связаны с трением в вязкой среде и происходит выделение значительного количества тепла в тканях организма.

Живое вещество содержит элементы типа электролитов (проводники тока) и диэлектриков (изоляторы). В электролитах при наличии электрического поля возникает перемещение свободных заряженных частиц (ток). В диэлектриках при помещении их в электрическое поле возникает смещение первоначально уравновешенных положительных и отрицательных зарядов молекулы (образование электрических диполей) или ориентация уже существующих диполей вдоль силовых линий поля. При наличии быстропеременного электрического поля в диэлектрике происходит непрерывное периодическое изменение ориентации полюсов диполей с соответствующей частотой. Такое смещение электрических зарядов внутри диэлектрика называется током смещения. Как ток проводимости, так и ток смещения в тканях сопровождается превращением энергии тока или поля в тепловую энергию.

Количество тепла, выделяемого высокочастотным электрическим полем в единице объема ткани за единицу времени, выражается формулой:

для тока проводимости: (1)

для тока смещения: (2)

Здесь — электропроводность электролита, — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, — частота электрического поля, Е – напряженность поля, — угол, определяющий отставание по фазе колебаний молекулярных диполей от колебаний напряженности электрического поля Е (угол диэлектрических потерь), — некоторые коэффициенты пропорциональности. Из формулы (2) видно, что количество тепла, выделяемое током смещения, растет пропорционально частоте поля. Это значит, что с увеличением частоты количество тепла, выделяемое в тканях за счет тока смещения, возрастает по сравнению с количеством тепла, выделяемое током проводимости. При действии ультравысокочастотного поля ток смещения вызывает более равномерное прогревание различных тканей благодаря относительно небольшим различиям в их электрической проницаемости.

Таким образом, количество тепла, выделяемое в единице объема электролитом и диэлектриком, зависит от их природы (электропроводности или диэлектрической проницаемости), а также от частоты изменения электрического поля. Вместе с тем для электролитов количество выделенного в единице объема тепла зависит еще от концентрации электролита.

В работе предлагается изучить процесс выделения тепла при действии генератора УВЧ в электролите и в диэлектрике.

Обе жидкости наливаются в одинаковые прямоугольные сосуды, которые помещаются между электродами аппарата УВЧ так, чтобы обеспечить для них одинаковое воздействие электрического поля. В каждый сосуд опущен шарик термометра. Включив аппарат и отметив первоначальную температуру жидкостей, нужно через каждые 3-5 минут отмечать их температуру. Записать результаты в таблицу 2.

Источник

Диэлектрический нагрев

Что такое диэлектрический нагрев

Под диэлектрическим нагревом понимается нагрев диэлектриков и полупроводников в переменном электрическом поле, под действием которого нагреваемый материал поляризуется. Поляризация — это процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.

Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную: упругая (безынерционная) обусловливает энергию электрического поля, а релаксационная (инерционная)—теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей («трения») атомов, молекул, заряженных комплексов. Половина этой работы превращается в теплоту.

Мощность, выделяющуюся в диэлектрике, обычно относят к единице объема и вычисляют по формуле

где γ — комплексно-сопряженная проводимость материала, ЕM — напряженность электрического поля в материале.

Здесь εr — полная комплексная диэлектрическая проницаемость.

Действительная часть ε’, называемая диэлектрической проницаемостью, влияет на количество энергии, которая может быть запасена в материале. Мнимая часть ε», называемая фактором потерь, является мерой энергии (теплоты), рассеиваемой в материале.

Фактор потерь учитывает энергию, выделяющуюся в материале как за счет поляризации, так и за счет токов сквозной проводимости.

В практике расчетов используют величину, называемую тангенсом угла потерь:

Тангенс угла потерь определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к запасенной энергии электромагнитных колебаний.

С учетом изложенного объемная удельная активная мощность, Вт/м3:

Таким образом, удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в нагреваемом материале, частоте и фактору потерь.

Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости ε’, расположения и формы электродов, образующих поле. Для некоторых наиболее часто встречающихся в практике случаев расположения электродов напряженность электрического поля рассчитывают по формулам, приведенным на рисунке 1.

Рис. 1. К расчету напряженности электрического поля: а — цилиндрический конденсатор, б — плоский однослойный конденсатор, в, г — плоский многослойный конденсатор с расположением слоев материала соответственно поперек и вдоль электрического поля.

Следует отметить, что предельное максимальное значение Ем ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала. Напряженность не должна превышать половины пробивной напряженности. Ем для семян зерновых и овощных культур принимается в пределах (5. 10) 103 В/м, для дерева—(5. 40) 103 В/м, поливинил-хлорида — (1. 10) 105 В/м.

Фактор потерь ε» зависит от химического состава и структуры материала, его температуры и влагосодержания, от частоты и напряженности электрического поля в материале.

Особенности диэлектрического нагрева материалов

Диэлектрический нагрев применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Основные особенности диэлектрического нагрева состоят в следующем.

1. Теплота выделяется в самом нагреваемом материале, что позволяет в десятки и сотни раз ускорить нагрев (по сравнению с конвективным). Это особенно заметно для материалов с малой теплопроводностью (дерева, зерна, пластмасс и др.).

2. Диэлектрический нагрев селективен: удельная объемная мощность, а следовательно, и температура каждого компонента неоднородного материала различна. Эту особенность в сельском хозяйстве используют, например, при дезинсекции зерна и замаривании шелкопряда,

3. При диэлектрической сушке теплота выделяется внутри материала, а следовательно, температура в центре выше, чем на периферии. Влага внутри материала перемещается от влажного слоя к сухому и от горячего к холодному. Так, при конвективной сушке температура внутри материала ниже, чем на периферии, и поток влаги, обусловленный температурным градиентом, препятствует перемещению влаги к поверхности. Это значительно снижает к. п. д. конвективной сушки. При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это — главное достоинство сушки с диэлектрическим нагревом.

4. При нагреве и сушке в электрическом поле высокой частоты уменьшается фактор потерь, а следовательно, и мощность теплового потока. Чтобы поддержать мощность на необходимом уровне, следует изменять частоту или напряжение, подводимое к конденсатору.

Установки для диэлектрического нагрева

Промышленность выпускает как специализированные высокочастотные установки, предназначенные для термообработки одного или нескольких видов изделий, так и установки общего применения. Несмотря на эти различия, все высокочастотные установки имеют одинаковую структурную схему (рис. 2).

Материал нагревают в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2, предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, получаемое от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты. При этом в ламповом генераторе расходуется не менее 20. 40 % всей энергии, получаемой от выпрямителя.

Основная часть энергии теряется на аноде лампы, который приходится охлаждать водой. Анод лампы находится под напряжением относительно земли 5. 15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждающей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6. 10 кВ и исключения кондуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используют для включения и отключения установки, последовательного выполнения технологических операций, защиты от аварийных режимов.

Установки диэлектрического нагрева отличаются одна от другой мощностью и частотой генератора, конструкцией вспомогательного оборудования, предназначенного для перемещения и удержания обрабатываемого материала, а также для механического воздействия на него.

Рис. 2. Структурная схема высокочастотной установки: 1 — высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором, 2 — блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, подстроечными емкостями и индуктивностями, 3 — ламповый генератор с анодно-разделительными и сеточными цепями, 4 — полупроводниковый выпрямитель: 5 — повышающий трансформатор, в — блок защиты установки от ненормальных режимов работы.

Промышленность выпускает большое число высокочастотных установок различного назначения. Для термообработки продукции используют серийные высокочастотные генераторы, к которым изготавливают специализированные приспособления.

Выбор генератора для диэлектрического нагрева сводится к определению его мощности и частоты.

Колебательная мощность Рг высокочастотного генератора должна быть больше теплового потока Ф, необходимого для термической обработки материала, на значение потерь в рабочем конденсаторе и блоке промежуточных колебательных контуров:

где ηк — к. п. д. рабочего конденсатора, зависящий от площади теплоотдающей поверхности, коэффициента теплоотдачи и разности температур между материалом и средой ηк =0,8. 0,9, ηэ — электрический к. п. д. колебательного контура ηэ = 0,65. 0,7, ηл — к. п. д., учитывающий потери в высокочастотных соединительных проводах ηл = 0,9. 0,95.

Мощность, потребляемая генератором из сети:

Здесь ηг — к. п. д. генератора ηг = 0,65. 0,85.

Столь малый к. п. д. — существенный фактор, сдерживающий широкое применение диэлектрического нагрева в сельскохозяйственном производстве.

Улучшить энергетические показатели высокочастотных установок можно, используя теплоту, рассеиваемую генератором.

Частоту тока при нагреве диэлектриков и полупроводников выбирают, исходя из требуемого теплового потока Ф. При термообработке сельскохозяйственных продуктов удельный объемный поток ограничивается допустимой скоростью нагрева и сушки. Из баланса мощностей в рабочем конденсаторе имеем

где V — объем нагреваемого материала, м3.

Минимальная частота, при которой технологический процесс протекает с заданной скоростью:

где Emах — максимально допустимая напряженность электрического поля в материале, В/м.

При увеличении частоты уменьшается Ем, а следовательно, и увеличивается надежность технологического процесса. Вместе с тем существуют некоторые ограничения на увеличение частоты. Повышать частоту нецелесообразно, если при этом фактор потерь резко уменьшается. Кроме того, с повышением частоты усложняется согласование параметров нагрузки и генератора. Максимальная частота, Гц, при которой это согласование обеспечивается:

где L и С—минимально возможные эквивалентные значения индуктивности и емкости нагрузочного контура с рабочим конденсатором.

При больших линейных размерах рабочего конденсатора повышение частоты может привести к неравномерному распределению напряжения вдоль электрода, а следовательно, и неравномерному нагреву. Максимально допустимая частота, Гц, по этому условию

где l— наибольший размер обкладки рабочего конденсатора, м.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Изучение аппарата УВЧ-терапии

Изучение аппарата УВЧ-терапии.

Цель работы:
1. Ознакомиться с устройством и принципом действия аппарата УВЧ-терапии.
2. Исследовать тепловое воздействие переменного электрического поля УВЧ на диэлектрики и электролиты

2. Приборы и принадлежности:

Аппарат УВЧ-66. 2 сосуда с растворами. Индикаторная лампочка (неоновая). Термометры.

3. Теоретическое введение.

Лечебный метод, где действующим фактором является электромагнитное поле, составляющей которого является переменное электрическое поле ультравысокой частоты (40,68 МГц), подведенное к тканям с помощью конденсаторных пластин, называется УВЧ-терапией.

В шкале радиоволн – этот вид колебаний относится к диапазону ультракоротких волн метровой длины (7,37 м).

Действие УВЧ-поля в жидких токопроводящих средах вызывает направленное колебание ионов, а в тканях диэлектриках – колебания ядра и электронов. Полярные молекулы совершают вращательные движения около среднего положения. Усиление движения молекул сопровождается увеличением запасов их кинетической энергии, что соответствует росту температуры, т. е. энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию.

Изолировать тепловое и осцилляторное действие практически невозможно, поэтому ответные реакции организма связаны с суммарным эффектом действия электрического поля УВЧ. При некоторых методиках можно создавать преимущество теплового или осцилляторного действия.

Наиболее полно изучено действие электрического поля УВЧ на воспалительные процессы (не острая фаза). Оно вызывает усиление крово-лимфообращения в очаге действия. В очаге воспаления увеличивается количество ионов кальция. Электрическое поле УВЧ снижает жизнедеятельность бактерий, в то же время замедляет всасывание токсических продуктов из очага воспаления.

Электрическое поле УВЧ оказывает антиспастическое действие на гладкую мускулатуру желудка, кишечника, желчного пузыря, бронхи.

Влияние электрического поля УВЧ сопровождается расширением капилляров, артериол, ускорением кровотока, снижением артериального давления.

УВЧ-терапия применяется при лечении воспалительных процессов в костях и суставах, невралгии, бронхиальной астмы, энцефалите и других заболеваний.

Механизм действия УВЧ электрического поля на растворы электролитов и диэлектриков.

Нагревание электролитов в поле УВЧ происходит за счет движения ионов, т. е. тока проводимости. При этом энергия тока переходит во внутреннюю. Известно, что количество теплоты q, выделившееся в единицу времени в единице объема электролита, зависит от напряженности электрического поля: q1 = E2/с, где

Е– эффективное значение напряженности электрического поля;

с – удельное сопротивление электролита.

Под действием высокочастотного электрического поля в диэлектрике происходит непрерывная переориентация дипольных моментов. Колебания диполей отстают по фазе от колебаний напряженности электрического поля. Количество теплоты, выделяемое в единице объема диэлектрика в единицу времени, выражается формулой:

щ – круговая частота колебаний; е – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

Е – напряженность поля; д – угол диэлектрических потерь.

В состав организма входят ткани, обладающие свойствами как электролитов, так и диэлектриков, следовательно, под воздействием поля УВЧ в тканях выделяется теплота

При частоте колебаний электрического поля, равной 40,68 МГц, нагревание диэлектриков происходит интенсивнее, чем электролитов, т. е. жировые ткани и водосодержащие структуры нагреваются неодинаково. Например, при воздействии на коленный сустав подкожный жир будет нагреваться более интенсивно, чем внутрисуставная жидкость.

Описание аппарата УВЧ-терапия

В работе используется аппарат УВЧ-66. Аппарат состоит из 3-х основных блоков: генератора незатухающих колебаний, терапевтического контура и блока питания.

Генератор незатухающих колебаний, который составляет основу аппарата, представляет собой автоколебательную систему, в которой вырабатываются незатухающие электромагнитные колебания за счет энергии источника постоянного напряжения.

Ламповый генератор содержит колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора емкости С ( рис. 1).

Чтобы колебания не затухали, необходим источник питания – батарея. Энергия от источника должна поступать в колебательный контур не непрерывно, а в такт с собственными колебаниями. Для регуляции поступления энергии от батареи в контур необходим клапан, функцию которого выполняет лампа-триод Л.

Лампа имеет два режима работы:

1. Если на сетке положительный потенциал, то лампа открыта и идет доступ энергии в колебательный контур.

Если на сетке отрицательный потенциал, то лампа закрыта и нет доступа энергии в колебательный контур.

Лампа поочередно открывается, закрывается. Это сопровождается автоматической сменой знака заряда на пластинах конденсатора (электродах терапевтического контура ТК). В пространстве между электродами возникает электрическое поле меняющейся полярности – переменное электрическое поле ВЧ. Колебания в контуре управляют потенциалом сетки через катушку обратной связи К.

Вся электрическая схема аппарата смонтирована в металлическом корпусе. Отдельные элементы схемы экранированы. Элементы управления находятся на передней панели и имеют соответствующие надписи.

Переключатель «Напряжение» служит для регулировки рабочих режимов аппарата в условиях колебания напряжения в сети. Контроль напряжения в сети осуществляется при нажатии кнопки «Контроль». Для изменения мощности, отдаваемой генератором, служит переключатель «Мощность», имеющий четыре положения: 0, 20, 40, 70 Вт. Емкость переменного конденсатора терапевтического контура изменяется ручкой «Настройка».

Внешний вид прибора.

1 – индикаторный прибор

2 – индикаторная лампа

3 – держатели проводов

6 – панель с надписью «Пациент»

9 – ручка «Настройка»

10 – переключатель «Мощность»

11 – переключатель «Напряжение»

12 – кнопка «Контроль»

Работа с аппаратом УВЧ-66

Правила по технике безопасности.

В целях безопасности пациента и обслуживающего персонала при включенном в сеть аппарате запрещается: во избежание ожогов токами высокой частоты касаться электродов и проводов металлическими предметами.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Нагрев диэлектрика в поле стоячей волны происходит неравномерно из-за наличия максимумов и минимумов напряженности электрического поля. Размеры рабочей камеры следует выбирать таким образом, чтобы в ней возбуждалось возможно большее число типов колебаний. [1]

Нагрев диэлектриков переменным электрическим полем происходит благодаря феномену переполяризации, протекающему с преодолением сил трения. [2]

Нагрев диэлектрика в поле стоячей волны происходит неравномерно из-за наличия колебаний напряженности электрического поля. Рабочие камеры выбирают таких размеров, чтобы в них возбуждалось возможно большее число колебаний разных типов, наложение стоячих волн которых приводит к образованию поля сложной структуры, в котором экстремумы электрического и магнитного полей выражены не столь резко, что благоприятно сказывается на равномерности нагрева. [4]

Нагрев диэлектриков переменным электрическим полем происходит благодаря явлению его переполяризацни, протекающей с преодолением сил трения. [5]

Нагрев диэлектриков осуществляется только переменным током за счет образования так называемых токов смещения. При нагреве диэлектриков, обладающих некоторой электропроводностью, тепло-генерация определяется векторной суммой токов смещения и проводимости. Мощность токов проводимости не зависит, а мощность токов смещения существенно зависит от частоты тока. Поэтому при нагреве диэлектриков следует работать на оптимальной частоте тока, при которой ток смещения и, следовательно, теплогенерация достигают максимального значения. Равномерность тешюгенерйции за счет тока смещения не зависит от теплопроводности диэлектрика. [6]

Причиной нагрева диэлектрика в электрическом поле высокой частоты является наличие диэлектрических потерь, которые вызываются главным образом токами смещения, возникающими в диэлектрике под действием электрического поля. [9]

Для нагрева диэлектриков используются частоты не выше 109 Гц. Полупериод напряженности электрического поля на несколько порядков больше периода собственных колебаний упругой поляризации, и этот вид поляризации устанавливается практически мгновенно после включения поля. Вектор поляризации следует за изменением вектора напряженности электрического поля без запаздывания. Угол потерь у таких веществ близок к нулю, и они не нагреваются в переменном электрическом поле. Источниками потерь у диэлектриком с упругой поляризацией служат посторонние примеси и связанная с ними сквозная электропроводность. [10]

Для нагрева диэлектриков используется электрическое поле конденсатора С. Поэтому всякое устройство для высокочастотной сварки полимеров можно рассматривать как конденсатор, который называют рабочим, со свойственными ему диэлектрическими потерями, так как свариваемый материал, сжимаемый между пластинами конденсатора ( сварочными электродами), не является идеальным диэлектриком. [12]

Для нагрева диэлектриков на частотах ниже 100 Мгц используется емкостный метод. В этом случае обычно применяют плоскопараллельный конденсатор простейшего вида. Для сушки тонкой фольги используют электроды в форме стержней. [13]

Генераторы для нагрева диэлектриков и полупроводников состоят в основном из тех же узлов, что и ламповые генераторы для индукционного нагрева металлических изделий. Отличие заключается в том, что нагрузкой является рабочий конденсатор в котором находится нагреваемый материал. [14]

Характерным преимуществом нагрева диэлектрика является возможность произвести быстрый и равномерный прогрев всего объема вещества. [15]

Источник