ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА

Луценко Ю.Ю., Мискун И.А., Зеленецкая Е.П.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Горение высокочастотного факельного разряда осуществляется за счёт диссипации энергии электромагнитной волны. Следовательно, для описания свойств разряда необходимо знать характеристики его электромагнитного поля. Наиболее важным параметром электромагнитной волны, распространяющейся в плазме разряда, является её волновое число. Волновое число представляет собой комплексную величину, действительная часть которой представляет собой коэффициент фазы, а мнимая часть – коэффициент затухания. Коэффициент затухания позволяет оценить величину затухания амплитуды электромагнитного поля вдоль оси разряда, а коэффициент фазы – изменение фазового сдвига, и как следствие, длину электромагнитной волны, поддерживающей горение разряда.

В настоящей работе проведены измерения отношения коэффициента затухания к коэффициенту фазы электромагнитной волны, поддерживающей горение разряда в воздухе.

Канал высокочастотного факельного разряда, горящего при атмосферном давлении имеет форму близкую к цилиндрической. Для цилиндрических структур [1] выполняется следующее соотношение:

(1)

Здесь: h = α +jβ, где β – коэффициент затухания электромагнитной волны, а α – коэффициент фазы; ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость; ω – угловая частота электромагнитного поля.

Учитывая, что ε₀ω – величина действительная, из формулы (4.5) получим:

(2)

Здесь C – действительная константа; ψ_Er и ψ_Hφ – фазовые сдвиги соответствующих компонент электромагнитного поля.

Таким образом, согласно выражению (2) по величине фазового сдвига между радиальной компонентой электрического поля и аксиальной компонентой магнитного поля однозначно определяется отношение коэффициента затухания к коэффициенту фазы электромагнитной волны, распространяющейся в плазме разряда.

Фазовый сдвиг между радиальной компонентой электрического поля и аксиальной компонентой магнитного поля можно определить посредством вращения круглой рамки, помещённой в электромагнитное поле разряда. Ось вращения рамки при этом должна быть перпендикулярна оси канала разряда.

Сигнал от рамки, поступающий на вход измерительного прибора определяется как сумма ЭДС, наводимых магнитным и электрическим полями:

.

Учитывая, что геометрические размеры рамки и частота электромагнитного поля постоянны, можно записать:

, (3)

где A и B – постоянные действительные величины, характеризующие величины сигналов, поступающих на вход измерительного прибора соответственно от электрической и магнитной компонент поля.

Преобразуя выражение (3), получим:

(4)

(5)

Пусть для определенности . Тогда выражение (5) примет следующий вид:

При очевидно, что . Получим:

. (6)

Здесь .

Выражение (6) в случае и запишется в виде системы уравнений:

; (7)

. (8)

Измерения величины фазового сдвига сигнала, наводимого на рамке, при её повороте на угол ± π/2 проводились для случая факельного разряда, горящего в воздухе при атмосферном давлении. Мощность разряда варьировалась от 0,5 до 2 кВт. Частота горения разряда составляла 39 МГц.

В частотности, для разряда мощностью 0,9..1,0 кВт, на расстоянии от электрода z = 60 мм, имеем: 17˚; - 40˚.

Соответственно, в результате решения системы уравнений (7) - (8) получим, ψ_Er – ψ_Hφ = 44˚. Соответствующее отношение коэффициента затухания к коэффициенту фазы составит: β/α = 0,965.

Результаты измерений величины β/α для факельного разряда, горящего в воздухе, в зависимости от его мощности представлены на рис. 1.

Как видно из рис. 1 величина β/α находится в пределах 0,85…1,05. При этом наблюдается незначительное увеличение величины β/α при увеличении мощности разряда.

Рис.1. Зависимость величины β/α от мощности факельного разряда

Заметим также, что величина β/α достаточно близка к расчётным значениям, полученных ранее на основе электродинамической модели [2] факельного разряда. В тоже время в соответствии с работой [2] величина β/α не должна зависеть от мощности разряда, что в свою очередь говорит о необходимости уточнения существующей модели разряда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стреттон Д. Теория электромагнетизма – М.-Л.: Гостехиздат, 1948. – 548 с.

2. Качанов А.В., Трехов Е.С., Фетисов Е.П. Электродинамическая модель высокочастотного факельного разряда // ЖТФ. - 1970. - Т.40. - №2. - с. 340 – 345.