Характеристика электромагнитного поля как носителя энергии

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ»

Введение.

Сельскохозяйственное производство, связанное с потреблением механической, тепловой, лучистой, химической, электрической и других видов энергии, отличается большой рассредоточенностью и низкой по сравнению с промышленными центрами плотностью энерге­тических нагрузок. Поэтому для его надежного энергоснабжения необходимы высокие материальные затраты.

Все основные стационарные процессы в сельском хозяйстве выпол­няют с помощью электрической энергии. Она сравнительно легко передается на большие расстояния и представляет собой наиболее доступный, надежный и универсальный энергетический источник, позволяющий получать энергию других видов.

В зависимости от вида применяемой энергии, характера проте­кающих процессов, действующих сил различают электротехнологию, биотехнологию, химическую и др.

Электротехнология - область науки и техники, изучающая прие­мы, способы и средства выполнения производственных процессов, использующих электрическую энергию непосредственно или с предва­рительным преобразованием в другие виды.

Технологические процессы, связанные с преобразованием электри­ческой энергии в тепловую и ее использованием, объединяют терми­ном "электротермия", а процессы, в которых электрическая энергия применяется непосредственно или с предварительным преобразова­нием в механическую или химическую, - понятием "электрофизичес­кие и электрохимические методы обработки материалов".

Большая часть общего энергетического баланса сельскохозяйст­венного производства приходится на долю тепловой энергии. Все потребители теплоты можно разделить на производственные и комму­нально-бытовые. Первые используют тепловую энергию для создания необходимого микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, выращивания растений в защищенном грунте, тепловой обработки сельскохозяйственной продукции, кормов, в процессах ремонта машин; вторые - для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, приготовления пищи и на другие бытовые нужды.

В тепловых процессах рассредоточенных объектов только электри­ческая энергия может заменить энергию, полученную от огневых котельных и печей, работающих на твердом топливе и имеющих очень низкий КПД.

Электрофизические и электрохимические методы основаны на применении в производственных процессах различных электрических и магнитных явлений, что позволяет использовать не только тепловое действие электрического тока (как в электротермии), но и другие технологические свойства электричества: механическое (механичес­кие операции и работы выполняются без применения промежуточных преобразователей - электродвигателей), химическое (получение химических реагентов, ускорение химических превращений при обработке продуктов и кормов, электролитические процессы в ре­монтном производстве), биологическое (управление поведением животных, подавление или стимулирование жизнедеятельности микрофлоры и фауны).

Многие современные технологические процессы стали возможны благодаря методам электротехнологии. В сельскохозяйственном произ­водстве широко используют электрические изгороди для животных, ионизаторы воздуха в животноводческих и других помещениях, электрические сепараторы семян и зерна, электрофильтры воздуха, установки магнитной очистки семян и кормов, электрообеззаражива­ния навоза, почвы. При ремонте машин применяют различные способы электрообработки металлов, восстановления, упрочнения, очистки деталей.

Электротехнология - наиболее интенсивно развивающееся нап­равление использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве, благодаря чему открываются большие возможности в создании высокоэффективных энергосберегающих технологий.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ»

Введение.

Сельскохозяйственное производство, связанное с потреблением механической, тепловой, лучистой, химической, электрической и других видов энергии, отличается большой рассредоточенностью и низкой по сравнению с промышленными центрами плотностью энерге­тических нагрузок. Поэтому для его надежного энергоснабжения необходимы высокие материальные затраты.

Все основные стационарные процессы в сельском хозяйстве выпол­няют с помощью электрической энергии. Она сравнительно легко передается на большие расстояния и представляет собой наиболее доступный, надежный и универсальный энергетический источник, позволяющий получать энергию других видов.

В зависимости от вида применяемой энергии, характера проте­кающих процессов, действующих сил различают электротехнологию, биотехнологию, химическую и др.

Электротехнология - область науки и техники, изучающая прие­мы, способы и средства выполнения производственных процессов, использующих электрическую энергию непосредственно или с предва­рительным преобразованием в другие виды.

Технологические процессы, связанные с преобразованием электри­ческой энергии в тепловую и ее использованием, объединяют терми­ном "электротермия", а процессы, в которых электрическая энергия применяется непосредственно или с предварительным преобразова­нием в механическую или химическую, - понятием "электрофизичес­кие и электрохимические методы обработки материалов".

Большая часть общего энергетического баланса сельскохозяйст­венного производства приходится на долю тепловой энергии. Все потребители теплоты можно разделить на производственные и комму­нально-бытовые. Первые используют тепловую энергию для создания необходимого микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, выращивания растений в защищенном грунте, тепловой обработки сельскохозяйственной продукции, кормов, в процессах ремонта машин; вторые - для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, приготовления пищи и на другие бытовые нужды.

В тепловых процессах рассредоточенных объектов только электри­ческая энергия может заменить энергию, полученную от огневых котельных и печей, работающих на твердом топливе и имеющих очень низкий КПД.

Электрофизические и электрохимические методы основаны на применении в производственных процессах различных электрических и магнитных явлений, что позволяет использовать не только тепловое действие электрического тока (как в электротермии), но и другие технологические свойства электричества: механическое (механичес­кие операции и работы выполняются без применения промежуточных преобразователей - электродвигателей), химическое (получение химических реагентов, ускорение химических превращений при обработке продуктов и кормов, электролитические процессы в ре­монтном производстве), биологическое (управление поведением животных, подавление или стимулирование жизнедеятельности микрофлоры и фауны).

Многие современные технологические процессы стали возможны благодаря методам электротехнологии. В сельскохозяйственном произ­водстве широко используют электрические изгороди для животных, ионизаторы воздуха в животноводческих и других помещениях, электрические сепараторы семян и зерна, электрофильтры воздуха, установки магнитной очистки семян и кормов, электрообеззаражива­ния навоза, почвы. При ремонте машин применяют различные способы электрообработки металлов, восстановления, упрочнения, очистки деталей.

Электротехнология - наиболее интенсивно развивающееся нап­равление использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве, благодаря чему открываются большие возможности в создании высокоэффективных энергосберегающих технологий.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КАК НОСИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Электромагнитное поле - одна из форм существования материи, характеризующаяся совокупностью взаимосвязанных и взаимно обусловливающих электрического и магнитного полей. Распростране­ние электромагнитного поля сопровождается движением электромаг­нитной энергии, представляющей собой сумму энергий электрического и магнитного полей. Изменениям электрического и магнитного полей сопутствует превращение электрической энергии в магнитную и магнитной в электрическую.

Электромагнитное поле может существовать (проявляться) в различных формах: электрического поля, магнитного поля, электро­магнитных волн, электрического тока и других электрических и магнитных явлений. Каждая из этих форм поля несет соответствую­щую ей энергию: электростатическую, магнитную, электромагнитную, электродинамическую и др. Наибольшее применение получила электродинамическая, или электрическая, энергия - энергия электрического тока, что объясняется сравнительной простотой ее производства, передачи и преобразования в другие электрические и неэлектрические виды.

Каждый из видов энергии электромагнитного поля имеет опреде­ленные технологические свойства - способность поглощаться в вещественных средах и превращаться в тепловую, механическую, химическую или биологическую энергию. Преобразование электри­ческой энергии в другие электрические и неэлектрические виды и их целенаправленное использование для воздействия на предметы труда в технологических процессах составляет сущность электротехнологии.

Из теоретической электротехники известно, что все разнообразие форм и проявлений электричества подчиняется общим законам электромагнитного поля, описываемым системой уравнений Максвел­ла. Полная система уравнений Максвелла представляет собой матема­тическую модель поля, из которой однозначно вытекают все его свойства, энергетические характеристики и возможные превращения. Это обобщенный закон полного тока в дифференциальной форме, устанавливающий связь между электрическими и магнитными полями, закон электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла, закон Ома в дифференциальной форме.

Превращение поглощенной электромагнитной энергии в другие виды происходит в результате различных взаимодействий электри­ческих и магнитных полей с элементарными частицами сред, с инду­цируемыми в средах токами, с электрически заряженными телами и т. д. Результатами таких взаимодействий являются различные технологические проявления, или действия поля (тока). Основные из них: магнитное действие тока, тепловое (термическое) действие тока, механические силы поля, химическое действие тока, биологическое действие тока (поля).

Разделение на действия тока и поля условно, во всех случаях первопричиной действий служит электромагнитное поле.

Магнитное действие тока отражает глубинную, неразрывную связь электрических и магнитных явлений, основанную на природе микромира вещества: протекание тока всегда сопровождается возник­новением магнитного поля. На использовании взаимодействия магнитных полей и электрического тока и их взаимо­превращении основан электромеханический метод преобразования электрической энергии в электродвигателях и других электромехани­ческих устройствах. Магнитные поля используют и непосредственно в технологических процессах для изменения структуры и свойств неживой и живой материи, воздействуя на нее на молекулярном уровне.

Термическое действие тока проявляется в нагреве сред, в которых он протекает.

Механические силы поля в отличие от электродвижущих сил, действующих на элементарные заряды внутри тел, механически воздействуют на заряженные макротела, проводники с током, электро-и магнитострикционные тела, производя механическую работу по перемещению тел или изменению их объема и плотности.

Химическое действие тока состоит в том, что его протека­ние в проводниках II рода (электролитах) сопровождается электроли­зом - окислительно-восстановительными реакциями на электродах, в результате которых получают новые вещества с новыми химическими свойствами.

Биологическое действие заключается в том, что ток (поле) влияет на протекание жизненных процессов в биологических объек­тах. Это влияние может быть как стимулирующим, так и угнетающим.

Превращение энергии электромагнитного поля в другие формы или виды происходит в строгих количественных соотношениях, определяемых законами термодинамики. Поступающая в приемник (систему тел) электроэнергия не "потребляется" и не "расходуется", а в соответствии с законом сохранения и превращения энергии перехо­дит из одного вида в другой (первый закон термодинамики), причем эти превращения протекают в определенном направлении - в направ­лении возрастания энтропии системы (второй закон термодинамики).

Закон сохранения и превращения энергии позволяет составить энергетический баланс системы, поглощающей энергию электромаг­нитного поля, и рассмотреть те преобразования энергии, которые происходят в системе.

Электромагнитные явления можно анализировать на основе теории электромагнитного поля или используя положения теории электрических и магнитных цепей. Первый метод, в основе которого лежит система дифференциальных уравнений Максвелла, - наиболее общий и отвечает сущности явлений. Он позволяет достаточно полно раскрыть механизм процессов. Применение этого метода для анализа энергобаланса системы неподвижных тел, что характерно для электро­термических преобразователей, будет показано ниже (теорема Умова-Пойнтинга). Второй метод основан на использовании электри­ческого тока, напряжения, магнитного потока и других интегральных параметров цепей. Он применим для систем с достаточно медленно изменяющимися (квазистационарными) процессами, когда длина электромагнитной волны значительно превышает размеры элементов системы, которые можно рассматривать как цепи с сосредоточенными параметрами. К ним относится большинство электротехнических устройств, поэтому метод цепей, хотя он и основан на известных допущениях, широко применяют в инженерных расчетах. В электро­технологии, где используется широкий диапазон частот, применяют

оба метода.

Используя метод цепей, рассмотрим преобразование энергии в цепи переменного тока. Для некоторого общего случая энергетический баланс системы за элемент времени dx

Pd = i² Rd + А + i ( - ) d + dW,

где Р — мощность источников тока; i — сила тока в цепи; R — внешнее сопротивление цепи; 6 А - механическая работа, совершающаяся системой; ( - ) — разность потенциалов в местах контакта разнородных проводников; dW — приращение электромагнитной энергии системы.

Левая часть равенства представляет собой энергию, поступающую в систему, - это работа сторонних ЭДС, производимая за счет хими­ческой (химические источники тока), механической (электромашин­ные генераторы), тепловой (термоэлектрические генераторы) и других видов энергии. Составляющая i²Rd представляет собой теплоту Джоуля-Ленца, выделяемую вследствие омического сопротивления элементов цепи. Превращение электрической энергии в механическую A возможно при перемещениях элементов цепи, например в резуль­тате взаимодействия проводников, в которых протекает ток, с магнит­ным полем, с ферромагнитными телами и т. д.

Составляющая i ( - ) - работа по преодолению контактной разности потенциалов. Последняя возникает в месте контакта разно­родных металлических проводников (полупроводников) или провод­ников I и II рода. В первом случае работа тока превращается в месте контакта в теплоту Пельтье, которая в отличие от теплоты Джоуля-Ленца пропорциональна току в первой степени. Во втором случае под действием возникающей в месте контакта проводников разности потенциалов (перенапряжения) на поверхности проводников I рода (электродах) протекают химические реакции, т. е. электрическая энергия преобразовывается в химическую. Работа, совершаемая в контактах, в наибольшей степени проявляется при постоянном токе, и поэтому ее эффект зависит от направления тока (выделение или поглощение теплоты Пельтье, окислительные или восстановительные химические реакции на электродах). Составляющая dW есть та часть энергии, которая расходуется на увеличение энергии магнитного поля тока и электрического поля (если в цепи имеются конденсаторы).

Электрифизическая обработка характеризуется воздействием на объект обработки электрических, магнитных, электромагитных полей, а также электрически заряженных частиц (ЭЧ). Указанные факторы могут действовать как в отдельности, так и комплексно.

Технологическое оборудование, осуществляющее электрофазическую обработку вещества, называют электрофизическим оборудованием.
Рабочими органами (РО) ЭФО являются ЭМП и ЭЧ. В структурную схему ЭФО входят: источники (генераторы) ЭПМ и ЭЧ, камеры для обработки вещества, устройства для регулирования, управления, контроля и защиты оборудования.