Электрофизические воздействия на технологические процессы

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

1.  Электрофизические свойства

Электромагнитное поле в изотропных средах описывается системой дифференциальных уравнений Максвелла в общем виде:

,  ,  ,  , а для стационарных полей:

,  ,  ,  ;

где: [А/м] – вектор напряженности магнитного поля,

 или тесла [Тл]   - вектор индукции магнитного поля, (в – вольт, мера электрического напряжения, разности электрических потенциалов),

 - вектор напряженности электрического поля ( - кулон, мера электрического заряда),

 - вектор индукции (смещения) электрического поля,

, [Кл/с] - вектор плотности тока,

[Ф/м], [Кл/в.м] – диэлектрическая постоянная, ( – фарада, мера электрической ёмкости),

 - относительная диэлектрическая проницаемость,

 - абсолютная диэлектрическая проницаемость,

[в.с/А.м], [Гн/м] – магнитная постоянная, ( - генри, мера магнитной индукции,  - вебер, мера магнитного потока),

 - относительная магнитная проницаемость,

[Ом/м] – коэффициент электропроводности (проводимость),

[Дж/м³] – объёмная плотность энергии.

Диэлектрическая проницаемость – характеристика среды, показывающая степень ослабления внешнего электрического поля  в среде. Если напряжённость электрического поля постоянна, то . Аналогично магнитная проницаемость показывает степень ослабления внешнего магнитного поля в среде. Электромагнитные поля могут быть постоянными и переменными, например, гармонически изменяющимися во времени. Для однородного совершенного диэлектрика () волновое уравнение поля:

,

, где:  - фазовая скорость распространения электромагнитных волн в совершенном диэлектрике.

При гармоническом изменении поля с круговой частотой  в несовершенных диэлектриках () вводится комплексная диэлектрическая проницаемость , здесь  - удельная активная электропроводимость на данной частоте. В несовершенных диэлектриках потери учитывают тангенсом угла диэлектрических потерь: , здесь  - ёмкостная проводимость. Одни и те же вещества на разных частотах обладают разной активной  и ёмкостной  проводимостью. По тангенсу угла диэлектрических потерь различают классы веществ: при  - реальные диэлектрики, при  - технические проводники, между ними – полупроводники. Кроме того, различают классы веществ и по проводимости: при  - проводники, при  - изоляторы, между ними – полупроводники.

Проводники различают по способу переноса заряда в них:

Проводники первого рода – в них проводимость (перенос заряда) осуществляется электронами. Обычно это металлы. В них проводимость уменьшается с ростом температуры: , где:  - проводимость при 0 ⁰С,  - температура ⁰С,  - температурный коэффициент электропроводности, который обычно составляет 1/К.

Проводники второго рода – это электролиты, в которых перенос заряда осуществляется ионами. В электролитах с возрастанием температуры проводимость растёт.  Для подведения к электролиту (жидкости) электрического тока в него помещают электроды их твердого вещества проводника. Под действием электрического поля заряды двигаются к электродам, осаждаются на них, экранируя электрическое поле. На поверхности электродов (границе раздела фаз) образуется пространственное распределение зарядов – двойной электрический слой, который может быть ионный (за счёт перехода зарядов из электролита или металла), адсорбционный (за счёт специфической адсорбции), ориентационный (из-за изменения в электрическом поле ориентации полярных молекул растворителя). Двойной электрический слой нейтрален, но подвержен действию электрического поля зарядов на электроде.

Плазма – особое состояние вещества, условно проводник второго рода. Плазма – это газ, содержащий свободные заряды (электроны и ионы) и нейтральные атомы и молекулы. Плазма возбуждается термоэлектронной эмиссией – выходом свободных электронов из катода (электрода, соединённого с отрицательным полюсом источника электрической энергии) за счёт тепловой энергии при его нагреве. Число вылетающих электронов зависит в основном от температуры, а также от свойств материала катода. Плазма, которая поддерживается термоэлектронной эмиссией, называют низкотемпературной, или неизотермической. Такая плазма существует при температурах ⁰С и возникает, например, в дуговом электрическом разряде (электрической дуге). Неизотермическая плазма возможна только при непрерывной подпитке энергией. Время существования неизотермической плазмы без подпитки энергией порядка 10^-4 – 10^-5с.

При температурах выше 10^{5 0}С энергия теплового движения свободных электронов в газе становится достаточно большой, чтобы при столкновении с катодом выбивать из него вторичные электроны. Это явление -автоэлектронная эмиссия. В этих условиях плазма может существовать неограниченно долго  без подпитки энергией. Такую плазму называют высокотемпературной (изотермической). Высокотемпературная плазма имеет место, например, в атмосфере Солнца, звёзд.

Плазма квазинейтральна – в ней одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц. Основная характеристика плазмы -дебаевский радиус  [см], где T – абсолютная температура, n – объёмная плотность зарядов.

В настоящее время низкотемпературная плазма достаточно широко применяется в технологиях производства, где генерируется в специальных аппаратах – плазмотронах. Высокотемпературную плазму в земных условиях  получить пока не удалось, но работы в этом направлении ведутся.