Тема 3. Общие закономерности преобразования электрической энергии в другие виды

П рямое и косвенное преобразование электрической энергии в тепловую

Преобразование электрической энергии в тепловую сопровождается затратой работы (энергии) электромагнитного поля.

Существуют две схемы преобразования электрической энергии в тепловую:

- прямое преобразование, когда энергия различных форм электричества поглощается телами и превращается в них в теплоту. Количество выделяющейся теплоты эквивалентно (с учетом потерь) работе внешних ЭДС, затраченной на производство поглощенной энергии;

- косвенное преобразование, когда электрическая энергия в тепловую не превращается, а используется лишь для переноса теплоты от одной среды к другой, причем температура источника теплоты может быть ниже температуры приемника. Количество перенесенной теплоты может в несколько раз превышать затраченную на это электрическую энергию.

Прямое преобразование энергии ЭМП в теплоту

При прямом преобразовании энергия поля тем или иным способом передается атомам и молекулам нагреваемой среды и расходуется на повышение интенсивности их теплового движения.

Энергия может передаваться непосредственно:

- электромагнитными волнами оптического диапазона (инфракрасные лучи, лучи лазера), частота которых лежит в диапазоне собственных частот тепловых колебаний атомов и молекул вещества. Атомы и молекулы служат здесь приемниками электромагнитной энергии. Такой способ применим для нагрева любых материалов.

-электромагнитным полем низкочастотного диапазона. Приёмниками электромагнитной энергии более низких частот являются входящие в состав вещества свободные или связанные элементарные электрические заряды (электроны, ионы), которые под действием электрического поля приобретают упорядоченное движение, образуя электрические токи:

-в проводниках – ток проводимости,

-в диэлектриках – токи поляризации и электрического смещения, которые называют в совокупности полным током электрического смещения или просто током смещения.

-в полупроводниках возможны токи всех видов.

В проводниках токи проводимости возникают за счет:

- включения проводника в электрическую цепь;

- воздействие переменным магнитным полем;

В электрической цепи в проводниках протекают токи проводимости:

- электронной – в проводниках I рода,

- ионной – в проводниках II рода.

При воздействии переменным магнитным полем индуцируемые в проводнике токи называют вихревыми, по природе они не отличаются от токов проводимости.

В диэлектриках электрическая энергия преобразуется в тепловую вследствие непрерывного смещения связанных зарядов – тока электрического смещения, протекающего под действием быстропеременного электрического поля. Протекание тока сопровождается работой сил поля по преодолению сопротивления вещества диэлектрика движению связанных зарядов. Затраченная полем энергия, эквивалентная этой работе, выделяется в диэлектрике в форме теплоты.

Баланс электромагнитной энергии, поступающей в тело, описывается теоремой Умова–Пойнтинга. Для системы неподвижных тел при неменяющихся их свойствах и при отсутствии сторонних ЭДС

(2.11)

где: E , H – векторы напряженностей соответственно электрического и магнитного полей, - абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, - абсолютная магнитная проницаемость вещества.

Уравнение выражает закон сохранения энергии электромагнитного поля в объеме V . поток энергии, поступающей в единицу времени в виде вектора Пойнтинга в объём V, огражденный замкнутой поверхностью А, расходуется на выделение в объеме V джоулевой теплоты:

(2.12)

и на изменение энергии электромагнитного поля

. (2.13)

Данное выражение позволяет определить те преобразования энергии, которые происходят при изменении поля во времени.

Представим теорему Умова – Пойнтинга в комплексной форме:

(2.14)

Вещественная составляющая правой части представляет собой активную мощность Р, а мнимая – реактивную мощность Q. Полная мощность в системе:

S = P + j∙Q. (2.15)

Рассмотрим нагрев проводника постоянным током. Для этого представим прямолинейный цилиндрический проводник длиной l и радиусом r . Вектор Пойнтинга направлен внутрь проводника, нормально к его боковой поверхности. Следовательно, энергия втекает в проводник из окружающей среды через боковую поверхность A=2π· r · l Через основания цилиндра энергия не втекает, так как вектор касателен к ним. Поток энергии в единицу времени

(2.16)

где: E_t – составляющая напряженности электрического поля, направленная по касательной к проводнику.

В результате приходим к выражению, описывающему закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме.

Количество теплоты, выделяющейся в единице объёма проводника в единицу времени (удельный тепловой поток),

, (2.17)

Если значения γ и E постоянны по объёму тела, то для всего объёма V за время τ получим известное выражение закона Джоуля – Ленца

(2.18)

Закон Джоуля – Ленца одинаково применим к постоянному и переменному току. В последнем случае необходимо использовать действующее значение тока и активное сопротивление на соответствующей частоте.

Для нагрева проводников в электрическом поле произвольной частоты вектор Пойнтинга, определяющий удельную мощность, поступающую в проводник, является комплексной величиной и убывает по экспоненциальному закону в зависимости от расстояния z от поверхности среды. Действительная часть этого вектора представляет собой активную мощность, преобразуемую в джоулево тепло. Мнимая часть этого вектора представляет собой реактивную мощность, преобразуемую в электромагнитное поле.

Плотность тока от поверхности вглубь проводника также убывает по экспоненциальному закону

, (2.19)

где J ₀ - амплитуда плотности тока на поверхности проводника; k = (1+i)/Δ_э.

Величина

(2.20)

носит название глубины проникновения поля (тока) в проводящую среду. Она представляет собой расстояние от поверхности вглубь тела, на котором амплитуда плотности тока (или векторы и ) убывает в е=2,718 раза.

После подстановки в полученную формулу

μ_а= μ_r μ₀;

ω=2π· f

где: μ_r - относительная магнитная проницаемость материала, μ₀ - магнитная постоянная, получим формулу для практических расчетов:

(2.21)

В слое проводника, равном глубине проникновения, выделяется основная масса (около 86%) всей энергии. Явление неравномерности распределения тока по сечению проводника, вызванное затуханием электромагнитной волны, носит название поверхностного эффекта.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 171; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!