Поляризация диэлектрика приводит к изменению напряженности электрического поля не только внутри него, но и снаружи. Рассмотрим, как это происходит. Предположим, между обкладками заряженного конденсатора помещен диэлектрический шар (рис. 1.30а). В результате поляризации, вблизи его полюсов образуются электрические заряды, компенсирующие попе внутри диэлектрика. Но эти же заряды создадут и внешнее электростатическое поле, как это показано на рис.1.306. Поэтому вне шара, как и внутри него, электрическое поле будет складываться из поля, которое существовало бы в отсутствие шара и поля образованного зарядами поляризованного диэлектрика. Результирующая картина попя показана на рис.1.30в. Внешне все выглядит так, как будто силовые линии попя втягиваются в диэлектрик. Иногда бывает удобно считать, что чем выше ен, тем сильнее происходит втягивание силовых линий внутрь диэлектрика. Но при этом полезно не забывать, что на самом деле этого, конечно, не происходит. Все это не более, чем своеобразный электромагнитный мираж.

Рис.1.30. Изменение электрического поля конденсатора при помещении между его обкладками шара из полярного диэлектрика

Мы рассмотрепи влияние диэлектрика на электростатическое поле конденсатора. То же самое происходит и в динамике, в СВЧ устройствах, с той лишь разницей, что амплитуда полей постоянно меняется. (В некоторых материалах, СВЧ все же вносит свою специфику. Это проявляется в наличии гистерезиса, явления при котором поле диполя отстает по фазе от внешнего поля.)

Еще одним важным параметром диэлектрических материалов являются диэлектрические потери. Они служат для определения электрической мощности, затрачиваемой на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

В справочной литературе дпя характеристики способности диэлектрика поглощать энергию переменного электрического попя используют тангенс угла диэлектрических потерь tg5. Столь замысловатый термин используется потому, что непосредственно входит в формулу дпя рассеиваемой в диэлектрике мощности, и поэтому удобен при технических расчетах. Физический смысл tg5 состоит в следующем: в случае диэлектрика без потерь ток в емкостной цепи опережает напряже-

ние на угол 90°. Наличие потерь приводит к сдвигу фазы между током и напряжением, и угол между ними становится меньше 90° на величину 5. Количественно потери оказываются пропорциональны tg5, отсюда и удобство использования этой величины.

Рассмотрим два основных вида диэлектрических потерь.

1. Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих низкое удельное объемное сопротивление. К таким диэлектрикам, в частности, относится вода. Хими-i чески чистая вода считается хорошим диэлектриком, но в природе она чистой не бывает. (Для этого вовсе не обязательно, чтобы в ней мыли сапоги). Вода является прекрасным растворителем и поэтому всегда содержит массу примесей. Известно, что в морской воде содержится вся таблица элементов Менделеева, включая и те элементы, о существовании которых он только догадывался. Поэтому электропроводность воды определяется не столько молекулами самой воды, сколько содержащимися в ней примесями, которые могут диссоциировать на положительно и отрицательно заряженные ионы. Под воздействием переменного электрического поля ионы начинают двигаться в такт изменяющемуся полю, попутно расталкивая встречающиеся на пути молекулы воды и таким образом преобразуя электрическую энергию в тепловую. Причем концентрация примеси не обязательно должна быть высокой. Достаточно одного иона на тысячу молекул воды, чтобы вода перестала быть диэлектриком и перешла в разряд полупроводников. Вспомните пословицу о бочке меда и ложке дегтя: народная мудрость установила влияние примеси на вещество задолго до открытия его молекулярного строения.

10б 105 104 103 102 10

1С"1

10"3 1 О"4

10"

I I I I I I I I 1 I I I

Область видимого света

Морская вода

А = 1 km I 1m 1cm 11 А

I / I II.,I

hv=---ieV 1 meV 1 eV" 1 keV 1

i i » i*l

i о2 JLCJaLPi юе 1 о1 ° 1 о12 1 о14 i ojj Частота, Гц

Рис. 1.31. Поглощение электромагнитного поля водой в зависимости от частоты

В дополнение можно привести наглядный пример из жизни: еспи в метро в час пик у одного из пассажиров возникнет серьезный стимул периодически бегать из одного конца вагона в другой, то температура на данном отрезке маршрута дойдет до кипения за очень короткое время.

2. Релаксационные потери обусловлены поворотом полярных молекул в направлении силовых линий электрического поля. Каждый поворот требует некоторых затрат энергии, особенно если при этом мешают соседи, которых приходится расталкивать и которые, в свою очередь, норовят отплатить тем же. Возвращаясь к предыдущему примеру, немного изменим начальные условия: высадим неугомонного бегуна, а на каждого из оставшихся пассажиров оденем по два рюкзака, для большего сходства с молекулой воды, и заставим вращаться вокруг своей оси. Нетрудно предположить, что и в этом случае результатом будет повышение температуры. Поскольку ориентация поля меняется на противоположную дважды за период, то чем выше частота, тем чаще происходит выяснение отношений между молекулами и тем больше энергии превращается в тепло. Это продолжается до тех пор,

пока частота не превысит значения, при котором молекулы из-за своей инерции перестанут успевать полностью развернуться в течение одного полупериода. После этого наступает снижение потерь с ростом частоты, пока не вступят в силу другие механизмы возникновения потерь. Но эти области частотного спектра слишком далеки от интересующего нас диапазона, и поэтому мы их оставим без рассмотрения.

На рис. 1.31 приведена зависимость коэффициента поглощения а для воды во всем спектре электромагнитных частот. Как видим, на частоте работы микроволновой печи поглощение энергии близко к максимальному, что обеспечивает хорошее преобразование электромагнитной энергии в тепловую.

Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:

р = E2coere0tg8

где Е - напряженность электрического поля, со - круговая частота.

Из приведенного выражения следует, что потери в веществе определяются произведением диэлектрической проницаемости е на tg5. Это произведение иногда называют коэффициентом диэ-пектрических потерь. Чтобы представлять степень нагрева того или иного вещества в электрическом поле, необходимо знать его е и tg5. Указанные параметры некоторых веществ приведены в таблице 1.1.

Анализируя приведенные в таблице данные, легко определить материалы, которые можно использовать для изготовления вспомогательных деталей, находящихся внутри камеры. Например, фторопласт, полиэтилен, слюда - имеющие очень низкий коэффициент удельных потерь.

С другой стороны, несложно предсказать результат нагрева банки с трансформаторным маслом в микроволновой печи "Электроника", имеющей текстолитовую перегородку в верхней части камеры. Эта перегородка сгорит раньше, чем масло нагреется хотя бы на несколько градусов.

1.5. Влияние СВЧ излучения на биологические объекты

У многих людей в нашей стране термин "излучение" вызывает подсознательный страх и непреодолимое желание держаться подальше от всего, что с этим связано. Возможно, это "синдром Чернобыля". Свою лепту в это вносит и сходство слов "радио" и "радиоактивность", хотя слово "радиоактивность" имеет своим корнем "радий" - химический элемент, в котором впервые было обнаружено явление радиоактивности. Поэтому имеет смысл "отделить зерна от плевел" и разобраться, как в действительности микроволновое излучение влияет на биологические объекты и какую опасность оно может представлять для человека.

Как мы уже знаем, микроволны - это вид электромагнитной энергии, занимающий по шкале частот положение между радиоволнами и инфракрасным излучением (рис. 1.1), и поэтому ему присущи некоторые свойства своих соседей. Ни тепло, ни радиоволны не наносят ущерба нашему здоровью, следовательно, нет особых причин ожидать этого и от микроволнового излучения.

Рассматривая шкалу электромагнитных частот, можно выделить две принципиально различные формы излучения на разных ее концах. Излучение волн с частотой больше, чем у видимого света называется ионизирующим, а если частота излучения меньше, чем частота видимого света, то такое излучение является неионизирующим. Для того, чтобы понять разницу между этими двумя видами излучения, необходимо разобраться во взаимодействии электромагнитных волн с веществом.

Все в природе состоит из атомов, мельчайших неделимых частичек вещества. "Атом" в переводе с греческого означает "неделимый". Если взять любой однородный предмет, к примеру железный трамвайный рельс, и последовательно распиливать его на все более мелкие кусочки, то в конце концов мы получим такой маленький кусочек, который является мельчайшим носителем вещества. Атом можно продолжать делить и дальше, на электроны, протоны и другие элементарные частицы, но тогда это уже будет не железо. Электрон железа ничем не отличается от электрона кислорода и поэтому не несет в себе никаких свойств вещества. Сочетания атомов различных элементов могут образовывать молекулы - мельчайшие частички веществ более сложной структуры. В этом случае разрушение вещества может наступить еще раньше, на этапе деления молекул на атомы.