Действие электрического поля увч на диэлектрики.

Для описания свойств диэлектриков и их поведения в электрических полях хорошей моделью является электростатический диполь: это система из двух разноименных зарядов (+q) и (-q), разделенных промежутком l. Основная характеристика такого диполя – вектор дипольного момента, модуль которого P = ql, а направление - «от минуса к плюсу» вдоль прямой, идущей через заряды.

Будучи в целом электрически нейтральным (+q –q = 0), диполь способен создавать вблизи себя электрическое поле, тем более ощутимое, чем больше величина P = ql.

Многие молекулы обладают свойствами диполей: они в целом электрически нейтральны, но центры «всего положительного» и «всего отрицательного» в них часто не совпадают. Причина того – сложность пространственной структуры молекулы, сложный характер движения электронов в ней. Примером дипольной молекулы является молекула воды.

Оказавшись во внешнем электрическом поле Е, молекулы – диполи стремятся изменить свое расположение так, чтобы выстроиться по силовым линиям поля Е:

+

+

силовая линия

+

Не у всех молекул такая ориентация получится, и тому – две причины:

а) могут мешать межмолекулярные связи

б) может мешать тепловое хаотическое движение.

Но в той или иной степени молекулы – диполи во внешнем поле создают признаки упорядоченной ориентации. Ее количественной мерой можно считать векторную сумму дипольных моментов отдельных молекул в единице объема тканей.

Молекулы-диполи всегда выстраиваются во внешнем поле Е таким образом, чтобы ослабить его. Величина, показывающая, во сколько раз диэлектрику удается ослабить внешнее электрическое поле, называется диэлектрической проницаемостью.

Если молекула-диполь оказывается в переменном внешнем электрическом поле , она будет, оставаясь на месте, совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте внешнего поля:

+ F силовые линии

F 

силы F, которые здесь показаны, спустя полпериода будут направлены противоположно. Таким образом в переменном поле Е весь объем диэлектрика будет охвачен дополнительным видом движения – колебаниями молекул – диполей, и этому навязанному полем Е движению будет соответствовать тепловой эффект. Переменное электрическое поле Е обеспечивает объемный прогрев диэлектриков.

Подробное описание этих причин – следствий приводит к следующему выражению мощности тепловыделения:

Q = E²₀tg;

т.е. Q ~ E² (2)

Здесь, как и в (1), Q – количество теплоты, выделяемое в единице объема диэлектрика за единицу времени (удельная тепловая мощность); Е – амплитудное значение напряженности внешнего поля;  - частота колебаний внешнего поля; ₀ – константа - электрическая постоянная;  - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;  - угол диэлектрических потерь; множитель tg обсуждать не будем.

Из формулы (2) следует, что тепловая мощность Q пропорциональна квадрату амплитуды напряженности внешнего поля Е, частоте этого поля, и помимо этого – пропорциональна диэлектрической проницаемости  диэлектрика.

Приведем значения диэлектрической проницаемости для некоторых простых веществ и живых тканей, измеренные на частоте 50 МГц внешнего поля Е:

Вещество	
Стекла разного вида Вода Мышцы, печень Жировая ткань	5 – 15 31 85 – 93 11 - 13

По любому виду живых тканей установлено, что их диэлектрическая проницаемость очень ощутимо зависит от частоты. Так, для мышц на частоте  = 20 Гц диэлектрическая проницаемость  = 2500. Это гигантское значение  обусловлено мембранной структурой как самих клеток, так и их составных частей. На малых частотах это сказывается весьма сильно, но с ростом частоты- - все слабее. Причина тому – сравнительно крупные структуры (мембраны и их участки) имеют малое значение частоты собственных колебаний в силу их громоздкости, инерционности. Отдельные молекулы – гораздо «легче на подъем», их легче расшевелить внешним полем, т.е. заставить внести свой вклад в общую диэлектрическую проницаемость; с ростом частоты число таких «вкладчиков» сокращается. На частотах, порядка нескольких ГГц способны совершать эффективные колебания только молекулы воды.

Мы убедились, что переменное электрическое поле, создаваемое аппаратом УВЧ, обеспечивает объемный прогрев как проводящих, так и не проводящих тканей. Такой тепловой эффект хорош тем, что в отличии от поверхностного, действует и на глубоко залегающие ткани. При этом чем больше частота, тем больше эффективная глубина прогрева.

В заключение этого раздела отметим, чего не может аппарат УВЧ своим сильным электрическим полем. Он не может изменить режим работы клеточной мембраны. Дело в том, что клеточная мембрана, при ее толщине порядка l = 10 нм = 10^-8 м, поддерживает «рабочую» разность потенциалов между внутренней и внешней своими поверхностями порядка 90 мВ. Это означает, что в мембране поддерживается собственное электрическое поле напряженностью

Это собственное защитное поле клетки (9 миллионов вольт на метр) значительно сильнее (примерно в 1000 раз), чем амплитудное значение напряженности техногенного поля, создаваемого аппаратом УВЧ.