Особенности электромагнитных процессов в НС

Распространение и потери энергии (затухание) в направляющих системах. Электромагнитная энергия будет распространяться в задан­ном направлении вдоль направляющей системы только тогда, когда век­торы напряженности электрического и магнитного полей будут лежать в плоскости, поперечной относительно оси системы.

Вначале рассмотрим процесс распространения электромагнитной энергии вдоль однородной симметричной цепи без потерь. Пусть плоские падающие волны рас­пространяются в положи­тельном направлении ochz, совпадающей с осью про­водника, а ось r проходит через центры проводников a и б (рисунок 2.10). Тогда векто­ры напряженности электри­ческого и магнитного полей в любой точке простран­ства, окружающего провод­ники, находятся в плоско­сти, перпендикулярной к оси проводов. Предполо­жим, что в сечении цепи, проходящем через точку т на проводе а будет положительный потенциал, а на проводе б — отрицательный. Тогда в соответ­ствии с направлением векторов электрического и магнитного поля в этом сечении цепи вектор Умова-Пойнтинга (П), представляющий собой векторное произведение векторов Е и Н и показывающий плот­ность и направление движения энергии, будет направлен от генератора к нагрузке вдоль оси системы (см. рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 – Процесс распространения электромагнитной энергии вдоль однородной симметричной цепи

В сечении цепи, проходящем через точку п и отстоящем на расстоя­нии λ/2 от сечения в точке т, направления векторов Е и Н изменяется на противоположные, а направление вектора Умова-Пойнтинга П ос­танется неизменным, хотя токи в проводах имеют противоположное на­правление. Отсюда следует, что электромагнитная энергия передается от генератора к нагрузке не зарядами, движущимися по проводам, а электромагнитным полем, которое распространяется в окружающем провода диэлектрике. Провода здесь являются только системой, направ­ляющей движение волн в межпроводном тракте.

На потерях энергии при распространении волн всегда сказывается влия­ние проводников и диэлектриков, встречающихся на их пути. В однородной
цепи, обладающей активным сопротивлением, кроме возникновения напря­жения между проводами происходит его падение вдоль проводов. Поэтому в
двухпроводных цепях с потерями линии электрического поля искривляются.

Если направляющая система включает в себя диэлектрик (не счи­тая воздуха, являющегося идеаль­ным диэлектриком), то часть энер­гии расходуется на поляризацию диэлектрика. Поляризацией назы­вается смещение положительных и отрицательных зарядов в изоляции под действием электрического поля. Переменная поляризация обусловливает возникновение токов смещения (емкостных токов) и вызывает затраты энергии на переориентацию диполей (потери в диэлектрике). Чем выше частота коле­баний, тем сильнее токи смещения и больше потери. При постоянном токе потери отсутствуют.

1. Все направляющие системы обладают потерями. В общем случае для системы, со­держащей проводящие элементы, диэлектрики (изоляция, защитные покрытия), коэффици­ент потерь можно представить как

(2.9)

а_пр - коэффициент учитывает потери на тепло из-за омического сопротивления. Эти потери пропорциональны . а_диэл - потери, возникающие из-за поляризации диэлектрика, помещенного в электро­магнитное поле. Эти потери растут линейно с частотой. а_изм - фактор, учитывающий потери на излучение. Эти потери пропорциональны f² (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 – Величины затуханий

В различных системах могут присутствовать или отсутствовать или превалировать те или иные потери.

2. При переменном токе наблюдается поверхностный эффект - неравномерное рас­пределение плотности тока по поперечному сечению проводника. Этот эффект приводит к увеличению сопротивления проводника. Ток проводи­мости может существовать только в той части проводника, которая пронизывается электромагнитным полем. Поэтому при слабом поверх­ностном эффекте плотность тока больше у поверхности проводника и меньше в средней части его сечения (рисунок 2.12,а), а при сильном – ток течет только в поверхностном слое (рисунок 2.12,б). Неполное использование сечения проводника приво­дит к увеличению его сопротивления при переменном токе.

Рисунок 2.12 – Явление поверхностного эффекта

3. Имеет место эффект близости, при котором индуцируются заряды в одном провод­нике из-за зарядов в другом (перераспределение плотности зарядов в близко расположенных заряженных проводниках). Этот эффект также приводит к увеличению сопротивления про­водника.

В двухпроводных цепях переменное магнитное поле провода вызы­вает в массе соседнего провода перераспределение плотности тока по его сечению (рисунок 2.13,а), направления токов показаны стрелками и вли­яют на параметры цепи.

Рисунок 2.13 – Эффект близости

4. Известен эффект сверхпроводимости. Это переход веществ в сверхпроводящее со­стояние, при котором исчезает сопротивление электрическому току. Этот переход у 23 ме­таллов осуществляется при Т=4÷10⁰ К, т.е. при очень низких температурах. Есть сверхпро­водники с Т=170* К - это керамики, высокотемпературные сверхпроводники.

При анализе процессов распространения по направляющим системам необходимо учитывать эффект экранирования, который полезен при уменьшении взаимного влияния. Он характеризуется коэффициентом экранирования:

(2.10)

или затухания

. (2.11)

Экранирующее действие тем сильнее, чем больше проводимость экрана, чем он тол­ще, чем больше его магнитная проницаемость μ_а и чем больше частота поля.

5. Эффективность экранирования в диапазоне низких частот (50—3400 Гц) называется коэффициентом за­щитного действия (КЗД), численные значения которого определяются тем же выражением (2.10), что и для коэффициента экранирования. При низких частотах влияние внешнего электромагнитного поля на цепи частично компенсируется электромагнитным полем, создаваемым продольными токами, индуцируемыми полем, создаваемым продольными токами, индуцируемыми в металлических элементах конструкции кабеля. Эффективность защитного действия тем выше, чем меньше величина их сопротивлений и сопротивлений заземлений. Защитное действие также оказывают рельсовые пути.

Дата добавления: 2015-05-26