Решение уравнения (1) имеет вид

(2)

где Ė_me – амплитуда напряжённости электрического поля у поверхности диэлектрика; х – координата.

Напряжённость магнитного поля находим по закону электромагнитной индукции

Это выражение позволяет найти сопротивление единого квадрата поверхности диэлектрика, т. е. волновое сопротивление среды

где j - сдвиг фаз в электромагнитной волне; .

Из этой формулы получаем связь угла j с углом потерь:

 

Убедимся в этом:

У идеального диэлектрика e - чисто вещественная величина, поэтому d =j = 0 и a¢ = 0. У хорошо проводящего вещества, где токи проводимости преобладают над токами смещения, tgd=g / (we_oe¢) >>1, угол d ® 90^о, фазовый сдвиг j ® 45^о, коэффициент затухания

численно равен коэффициенту затухания электромагнитного поля в проводящей среде. У реального диэлектрика d =0 - 90^о, а j = 0 - 45^о.

Формулу (2) перепишем для мгновенных значений напряжённости электрического поля

(3)

Отсюда видно, что Δ=1/a^¢ - глубина проникновения поля в диэлектрике, т.к. на глубине х=Δ амплитуда напряжённости поля уменьшается в e раз.

В отличии от индукционного нагрева металлов при нагреве диэлектриков поверхностный эффект является вредным, т.к. приводит к неравномерному распределению температуры. Температура в диэлектрике не может выровняться из-за низкого коэффициента теплопроводности. В избежания заметных проявлений поверхностного эффекта надо выбирать частоту поля такой, чтобы глубина проникновения в 3-4 раза превосходила размеры нагреваемого тела.

При фиксированном времени t формула (3) описывает пространственную волну, длина которой l=2p/a¢¢.

Т.к. нагреваемое тело имеет конечные размеры, то из-за отражения электромагнитных волн от границ тела внутри него устанавливаются стоячие волны длиною l. Это явление в сочетании с поверхностным эффектом может привести к весьма сложной картине распределения поля по объёму тела.

Сравнительная эффективность влияния стоячих волн и затухания на картину поля характеризуется отношением длины волны глубине проникновения

Отсюда следует, что l =Δ при tgd» 0,33, а при меньших значениях tgd глубина проникновения больше длины волны. Величина Δ при tgd = 0,1 больше l в 3 раза. По этой причине неравномерность распределения поля, вызванное поверхностным эффектом, играет значительно меньшую роль, чем волновой характер распределения поля. Для суждения о равномерности нагрева следует сравнивать размеры тела с длиной электромагнитной волны.

Виды поляризации

 

И так, поляризацией мы называем процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого микроскопического элемента объёма.

Поляризацию принято подразделять на различные виды в зависимости от способа смещения вызывающих её частиц – носителей связанных зарядов. Все частицы диэлектрика, способные смещаться под действием внешнего электрического поля, можно отнести к 2-ум видам: 1)упруго или сильно связанные и 2) слабо связанное.

Процессу движения упруго связанных частиц препятствует упругая сила. Такая частица имеет одно положение равновесия, около которого совершает тепловые колебания. Под действием внешнего электрического поля частицы смещаются на небольшое расстояние. Упругие силы связывают электронную оболочку и ядро в атомах, атомы в молекулах, ионы в кристаллах, дипольные молекулы в некоторых твёрдых телах.

Слабо связанные частицы имеют несколько положений равновесия, в которых могут находиться с определенной вероятностью. Переход из одного положения равновесия в другое происходит скачкообразно под действием флуктуации теплового движения. Частица колеблется около положения равновесия, а через некоторое время скачком меняет это положение равновесия на другое. Время колебаний в определённом положении равновесия зависит от температуры и интенсивности поля сил связи.

Во внешнем электрическом поле энергия частицы в равновесных состояниях изменяется так, что частицы находятся в них с другой вероятностью, чем при отсутствии поля. В результате положительно заряженные частицы смещаются относительно отрицательно заряженных. Появляется асимметрия в распределении заряженных частиц, т.е. поляризация. Основную роль в этом процессе играет тепловое движение. Именно оно направленно перебрасывает частицы во внешнем электрическом поля и возвращает их к хаотическому распределению после отключения поля.

В соответствии с изложенной картиной поляризацию разделяют на упругую и релаксационную: упругая – при сильной связи между частицами, релаксационная – при слабой связи. Оба типа поляризации подразделяются на несколько видов в зависимости от того, какие частицы смещаются в процессе поляризации.

Существует 4 вида упругой поляризации: электронная, ионная и дипольная. В релаксационной поляризации различают дипольную, ионную и электронную разновидности и выделяют отдельно группу процессов, тесно связанных с электропроводностью и получивших название объёмной поляризации.

Наиболее распространённым видом упругой поляризации является электронная поляризация. Она заключается в упругой деформации электронных оболочек. В результате атом приобретает дипольный момент, направленный согласно с напряжённостью внешнего электрического поля. Такая поляризация существует у всех диэлектриков. Этот вид поляризации устанавливается практически мгновенно, т. к. частота внешнего поля (обычно f<10⁹Гц) меньше частоты собственных колебаний упругих связей (f~10¹¹-10¹⁶Гц). Вектор поляризации следует за изменением вектора напряжённости электрического поля без запаздывания. Угол потерь у таких веществ близок к нулю, и они не нагреваются в переменном электрическом поле. Источником потерь у диэлектриков с упругой поляризацией служат посторонние примеси и связанная с ними сквозная проводимость.

Наиболее часто встречающимся видом релаксационной поляризации является дипольная поляризация, возникающая в полярных диэлектриках при слабых связях между молекулами. Молекулы полярных диэлектриков обладают собственным электрическим моментом, который не зависит от напряженности внешнего электрического поля.

Поляризация диэлектрика происходит за счет образования в нем объёмных зарядов. Заряды в диэлектрике оказываются смещенными, но не на микро расстояния, как при прочих видах поляризации, а на макроскопические расстояния.

С образованием объёмных зарядов связана поляризация гетерогенных диэлектриков, содержащих проводящие макровключения (влажные материалы, пищевые продукты и древесина). При внесении таких неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих включениях, перемещаются в пределах каждого включения, которое приобретает дипольный момент и ведет себя подобно гигантской поляризованной молекуле.

Накоплению объёмных зарядов и разделению зарядов в проводящих включениях препятствует тепловое движение, стремящееся ослабить поляризацию. По этой причине объёмную поляризацию относят к поляризации релаксационного типа.