Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и экспериментальные предпосылки для исследования эффектов сверхчувствительности 14
1.1. Явления, наблюдаемые в природе, имеющие сверхчувствительный характер
1.1.1. Сверхчувствительность, связанная со стохастическим резонансом в системах 16
1.1.1.1. Свойства стохастического резонанса
1.1.1.2. Примеры стохастического резонанса
1.1.1.3. Сверхчувствительность в модели со стохастическим резонансом
1.1.2. Сверхчувствительность природных систем, не связанная состохастичностью
1.1.2.1. Сверхчувствительность Земной коры в области разломов
1.1.2.2. Сверхчувствительность литосферы при геомагнитных возмущениях, связанных с Солнечной активностью
1.1.2.3. Сверхчувствительность биологических объектов
1.1.2.4. Возмоэ/сность высокой магниточувствителыюсти в конденсированных средах со свободными зарядами
1.2. Сверхнизкочастотные электрические возбуждения в дисперсных системах и предположения о возможности их сверхчувствительности.. 32
1.2.1. Эксперименты, свидетельствующие о гигантских отклика дисперсных систем на СНЧ электрические воздействия
1.2.1.1. Эксперименты с модельными дисперсными системами с гигантскими диэлектрическими откликами на СНЧ.
1.2.1.2. Свидетельства гигантских диэлектрических откликов на СНЧ в природных дисперсных системах
1.2.2. Теория электрических явлений в дисперсных диэлектриках Максвелла -Вагнера и двойной электрический слой 49
1.2.2.1. Общие представления о состоянии теории диэлектрических явлений в разбавленных дисперсных системах 50
1.2.2.2. Основы теории двойного электрического слоя 60
1.2.2.3. Представление о двойном электрическом слое в твердых телах 65
1.2.2.4. Классические теории диэлектрической дисперсии в гетерогенных системах 67
1.2.2.5. Роль поверхностной проводимости в диэлектрической дисперсии в гетерогенных системах 68
1.2.2.6. Поляризации зарядов в двойном электрическом слое в электрических полях 69
1.2.2.7. Теория пленочного эффекта двухслойных сфер взвешенных в изоляторе 70
1.2.2.8. Теория пленочного эффекта двухслойных сфер взвешенных в среде с проводимостью 74
1.2.2.9. Теория поляризации тонкого двойного слоя дисперсной частицы 76
1.2.2.10. Проблема описания явлений поляризации в системах близко расположенных дипольных частиц 80
1.2.2.11. Дипольная модель биологической клетки 81
1.2.3. Обзор современных работ по явлениям поляризации в системах близко расположенных дипольных частиц 84
1.3. Выводы по имеющимся экспериментальным и теоретическим предпосылкам для исследования эффектов сверхчувствительности... 87
Глава 2. Методы исследования сверхчувствительности диэлектриков с использованием эффекта бриджмена 90
2.1. Обоснование целесообразности использования эффекта Бриджмена для исследования сверхчувствительности диэлектриков в СНЧ электрических полях 90
2.1.1. Эффект Бриджмена - наиболее доступный метод исследования механической стабильности твердых дисперсных диэлектриков 95
2.1.2. Эффект Бриджмена 98
2.1.2.1. Первые представления о природе эффекта Бриджмена 98
2.1.2.2. Условия возбуждения эффекта Бриджмена 100
2.1.2.3. Изменения структуры .материалов в условиях эффекта Бриджмена. 104
2.1.2.4. Возбуждение звуковых и электромагнитных импульсов в ЭБ. 106
2.1.2.5. Динамические явления в эффекте Бридэ/смена 108
2.1.2.6. Модели эффекта Бриджмена 110
2.7.2.3. Возможность влияние фазовых переходов на эффект Бридэ/смена 113
2.2. Методики исследования сверхчувствительности диэлектриков в СНЧ полях с использованием эффекта Бриджмена 116
2.2.1. Экспериментальные образцы и методики их приготовления 116
2.2.2. Методика низкотемпературных исследований материалов в ЭБ 119
2.2.3. Методики структурных исследований материалов после ЭБ 120
2.2.4. Методика исследования ЭБ с диэлектриками в СНЧ электрических полях 121
2.2.5. Методика исследования диэлектрической релаксации при сильном сжатии диэлектриков на НБ 123
2.2.6. Методика определения паразитной ёмкости наковален 126
2.2.7. Методика определения тепловыделения в образцах, вызванного диэлектрическими потерями 128
2.2.8. Характеристика исследовательского пресса и наковален 129
2.2.9. Характеристика используемых в работе наковален 131
2.3. Особенности поведения материалов при больших упруго -пластических деформациях и высоких давлениях на наковальнях Бриджмена 133
2.4. Выводы по 2 главе 142
Глава 3. Критические условия возбуждения взрывной неустойчивости в диэлектриках при сильном сжатии 146
3.1. Влияние размера тела на порог возбуждения ЭБ 147
3.1.1. О размерном эффекте в термофлуктуационной теории разрушения твердых тел 148
3.1.2. О размерном эффекте объемного разрушения в ЭБ 152
3.2. Принцип эквивалентности механической и тепловой энергии активации разрушений в условиях ЭБ 155
3.3. Температурная зависимость порога возбуждения взрывной неустойчивости 158
3.4. Скоростная зависимость порога возбуждения взрывной неустойчивости 161
3.5. Фазовые и структурные превращения в диэлектриках при сильном сжатии 164
3.6. Кристаллизация и аморфизация в условиях взрывной неустойчивости 166
3.7. Неоднородный массоперенос элементов в условиях взрывной неустойчивости 171
3.7.1. Массоперенос и фракционирование элементов в сплавах при аномально низко вязком течении в условиях ЭБ 174
3.8. Скачкоподобное изменение свойств протекания электричества в условиях ЭБ 176
3.9. Аномально низко вязкая текучесть диэлектрических материалов в момент взрывной неустойчивости типа ЭБ 179
3.9.1. Модельное представление динамического нагружения квазижидкого диска на НБ 181
3.10. Взрывная неустойчивость льда 187
3.11. Взрывоподобная неустойчивость льда при сильном одноосном сжатии на наковальнях с открытыми границами 187
3.12. Возможность существования слоя неустойчивости льда в литосферах спутников Юпитера Европе и Ганимеде 194
3.13. Выводы поЗ главе 196
Глава 4. Сверхчувствительность диэлектриков в сверхнизкочастотных электрических полях в условиях сильного сжатия 200
4.1. Поведение диэлектриков в СНЧ электрических полях в условиях сильного сжатия 200
4.1.1. Обнаружение минимумов в СНЧ электрических спектрах порога возбуждения ЭБ 201
4.1.2. СНЧ электрические спектры порога возбуждения ЭБ для некоторых других материалов 207
4.1.3. Всплески СНЧ диэлектрической восприимчивости при сильном сжатии модельных кристаллогидратов 211
4.2. Эффект падения порога возбуждения ЭБ в СНЧ электрических полях для природных минералов с кристаллогидратным строением 213
4.3. Сдвиг локализации провалов в СНЧ электрическом спектре возбуждения сверхчувствительной неустойчивости ЭБ 221
4.4. Размерный эффект в СНЧ электрическом спектре возбуждения ЭБ как признак сверхчувствительности 229
4.5. СНЧ электрический спектр порога возбуждения ЭБ для льда 237
4.6. Оценки параметров энерговклада в СНЧ электрических спектрах порога возбуждения эффекта Бриджмена 248
4.7. Выводы по 4 главе 251
Глава 5. Модели сверхчувствительности диэлектриков в гетерогенном состоянии 255
5.1. Представление о дисперсности структуры диэлектриков в условиях сильно неоднородного сжатия 256
5.2. Модель высоко чувствительной электромеханической связи в диэлектриках с перколяционным прорастанием пробоя 257
5.3. Модель высоко чувствительной электромеханической связи в диэлектриках с пробоем газа в микротрещинах 261
5.4. Модель сверхчувствительности диэлектриков в гетерогенном состоянии 265
5.4.1. Модель нелинейных взаимодействий в цепочке связанных неточечных диполей с сильно переменными моментами 269
5.4.2. Оценки для коэффициентов в уравнении (5.69) 279
5.4.3. Результаты численных расчетов, свидетельствующие о сверхчувствительности длинных цепочек диполей с переменными моментами 281
5.4.4. Сверхчувствительность длинных цепочек диполей с переменными моментами и их природные аналоги 291
5.5. Выводы по 5 главе 298
Заключение 301
Литература 310
- Сверхчувствительность литосферы при геомагнитных возмущениях, связанных с Солнечной активностью
- Теория пленочного эффекта двухслойных сфер взвешенных в изоляторе
- Методики исследования сверхчувствительности диэлектриков в СНЧ полях с использованием эффекта Бриджмена
- Скоростная зависимость порога возбуждения взрывной неустойчивости
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена развитию физических представлений о механизмах электрической сверхчувствительности в твердых диэлектрических дисперсных средах. Под сверхчувствительностью понимаются эффекты, связанные с амплитудами откликов порядка l(f в ответ на возбуждения с амплитудами порядка 10 20 -г 10 5. Исследованы механические и диэлектрические отклики в диэлектрических материалах при их сильном сжатии в ответ на слабые электрические возмущения на сверхнизких и низких частотах.
Актуальность проблемы
Имеется большое количество свидетельств о существовании корреляционных связей между интенсивностью слабых электромагнитных возбуждений в магнитосфере Земли и активностью процессов в природных средах, в которых высвобождаются гигантские энергии. Подобные корреляции имеются между временными рядами солнечной и геомагнитной активности, сейсмической энергией Земли, а также динамикой процессов в биосфере.
Несмотря на все возрастающее количество данных, свидетельствующих о реальности подобных корреляций, до сих пор не существует более или менее последовательных представлений о конкретных механизмах таких удивительных явлений природы. Общепризнанным, однако, можно считать то, что важнейшую роль в механизмах таких корреляций могут играть слабые сверхнизкочастотные (СНЧ) 10 Q 103 Гц возмущения в магнитосфере Земли.
Недавно, кроме всего, получено свидетельство о возможности сильных физических откликов в геологической среде на уровне механической ста 1 "У бильности с высвобождением сейсмической энергии на уровне 10 Дж, в ответ на вклад в среду энергии электромагнитного поля на уровне 105 -г 106 Дж на сверхнизких частотах с использованием магнитогидродинамического генератора. Это свидетельство сверхчувствительности геологической среды дает перспективу для поиска физических механизмов корреляционных связей в рамках исследования возможности влияния слабых электрических возбуждений на известное пороговое явление с механической неустойчиво стью диэлектрических материалов при их сильном неоднородном сжатии (взрывной эффект Бриджмена).
Существующая проблема, таким образом, может решаться в рамках физики конденсированного состояния, если изучать механизмы обсуждаемых корреляций в экспериментах с модельными и природными диэлектрическими материалами с гетерогенной структурой, насыщенной тонкими двойными электрическими слоями на границах фаз. Можно предположить, что в условиях сильного сжатия, до порога возбуждения эффекта Бриджмена, сложные диэлектрические соединения могут оказаться, хотя бы кратковременно, в соответствующем гетерогенном состоянии. В этом случае можно было бы ожидать, что одновременное воздействие на диэлектрики в условиях сильного сжатия слабым СНЧ электрическим полем приведет к изменению порога возбуждения эффекта Бриджмена. Это и могло бы свидетельствовать о сверхчувствительности диэлектрических соединений в гетерогенном состоянии, для которых пробойные поля могут быть в W2 -г-10 раз более сильные, чем предлагается использовать в данном исследовании.
Экспериментальное изучение конкретных механизмов, ответственных за большие физические отклики в диэлектриках с дисперсным строением на уровне их диэлектрической восприимчивости и механической стабильности, в ответ на слабые электрические воздействия на сверхнизких частотах, даст основу для развития физики подобных явлений в естественных условиях. Это, прежде всего и определяет актуальность выбранной темы исследования.
Развитие физических механизмов, способных хотя бы качественно описать соответствующие экспериментальные зависимости, позволит значительно продвинуться в понимании явлений, ответственных за сверхчувствительные эффекты в диэлектрических дисперсных средах. Полученные результаты могут иметь фундаментальное значение не только для физики диэлектриков в дисперсном состоянии, но также для геофизики и возможно биофизики.
Все это определяет научную и практическую значимость исследований электрической сверхчувствительности диэлектриков при их сильно неоднородном сжатии в сверхнизкочастотных электрических полях.
Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования сверхчувствительных откликов в диэлектрических телах с дисперсной структурой, индуцируемой при сильном сжатии, в сверхнизкочастотном электрическом поле и предложение возможных механизмов таких откликов. Для достижения намеченной цели были сформулированы следующие задачи:
- обосновать целесообразность использования методики испытания твердых соединений в условиях эффекта Бриджмена (ЭБ) для исследования сверхчувствительных электромеханических откликов в диэлектриках при их сильном сжатии;
- развить методику исследования порога возбуждения механической неустойчивости типа эффекта Бриджмена в гетерогенных диэлектриках при воздействии на них различных полей;
- изучить критические условия возбуждения эффекта Бриджмена и структурные изменения в твердых диэлектриках, испытавших взрывную неустойчивость;
- исследовать влияние достаточно слабых электрических колебаний в диапазоне частот от 10 Гц и до 105 Гц на пороговые параметры возбуждения механической неустойчивости диэлектриков, находящихся в дисперсном состоянии в условиях сильного сжатия;
- предложить возможные механизмы сверхчувствительности диэлектрических дисперсных сред, подобных гетерогенным диэлектрикам с двойными электрическими слоями.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. В результате экспериментальных исследований электромеханических и диэлектрических явлений при сильном одноосном сжатии твердых дисперсных диэлектриков установлено существование в них сверхчувствительных эффектов не связанных с диэлектрическими потерями, пьезо - и сегне-тоэлектрическими откликами, а также макроскопическими пробоями.
2. На основе качественного рассмотрения коллективных взаимодействий в цепочке больших диполей с переменными моментами предложен механизм сверхчувствительных откликов в гетерогенных средах с двойными электрическими слоями.
3. Развита и обоснована методика изучения механизма электромеханических связей и сверхчувствительных явлений в гетерогенных диэлектриках на основе исследования СНЧ спектров порога возбуждения эффекта Брид-жмена.
4. Экспериментально обнаружены и предложены оценочные зависимости порога возбуждения эффекта Бриджмена от термодинамических параметров образцов, размеров и скорости их сжатия;
5. Экспериментально в условиях возбуждения эффекта Бриджмена в материалах обнаружены существенные структурные изменения подобные кристаллизации, аморфизации, сегрегации и глубокому фракционированию атомных элементов.
6. Обнаружено резкое изменение электрических свойств в материалах в момент возбуждения с ними эффекта Бриджмена.
7. На основе модели гидродинамического режима течения, оценена эффективная вязкость материалов, испытывающих эффект Бриджмена;
8. Экспериментально обнаружены сверхчувствительные электромеханические отклики для многих кристаллогидратных диэлектрических материалов, в том числе геологических, в условиях их сильного одноосного сжатия в слабых сверхнизкочастотных электрических полях.
9. Обнаружена корреляция между СНЧ спектрами сверхчувствительных электромеханических откликов и "всплесковой" диэлектрической проницаемостью для кристаллогидратных диэлектриков.
10. Экспериментально обнаружена взрывная неустойчивость льда и его сильная электромеханическая чувствительность на сверхнизких частотах.
Научная и практическая значимость работы ханической неустойчивости диэлектрических минералов при сильном сжатии, подобных бруситу и натролиту, область существования которых в литосфере обычно приурочена к сейсмически активным разломам, позволят проводить электромагнитные воздействия на литосферу, для её сейсмического возбуждения или для запуска процессов эффективной диссипации накопленной в ней энергии в более рациональном диапазоне СНЧ и в необходимых временных интервалах;
- Оценка, полученная для эффективной вязкости диэлектрических материалов в момент квазижидкого течения, возникающего между наковальнями в момент эффекта Бриджмена, позволяет прогнозировать характер подобных явлений, возникающих в горных выработках и шахтах, и имеет практическое значение для мероприятий по обеспечению безопасности персонала.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Совокупность экспериментальных исследований критических условий возбуждения взрывных неустойчивостей в диэлектриках, подобных эффекту Бриджмена, с обоснованием пригодности использования его в качестве удобного и доступного метода для изучения сверхчувствительных явлений в диэлектрических дисперсных средах.
2. Результаты экспериментальных исследований структуры материалов при их сильно неоднородном сжатии на наковальнях Бриджмена до и после взрывных эффектов, свидетельствующих о реализации в диэлектрических и иных соединениях дисперсной структуры.
3. Экспериментальные данные, свидетельствующие о сильном влиянии, которое оказывает слабое сверхнизкочастотное электрическое поле на механическую устойчивость модельных и природных кристаллогидратных диэлектриков с дисперсной структурой.
4. Сверхнизкочастотные "всплесковые" спектры диэлектрической проницаемости при сильном сжатии кристаллогидратных диэлектриков и льда, коррелирующие с их сверхнизкочастотными электрическими спектрами взрывной неустойчивости типа эффекта Бриджмена.
5. Механизм электрической сверхчувствительности диэлектрических дисперсных сред, в основу которого положено качественное рассмотрение взаимодействий в цепочке близко расположенных больших диполей с сильно перемененными моментами.
Достоверность исследований подтверждается большим экспериментальным материалом и воспроизводимостью полученных экспериментальных результатов; статистической обработкой результатов измерений; качественным совпадением и корреляцией между экспериментальными и теоретическими зависимостями. Апробация работы
Результаты работы докладывались на V Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением" (Минск, 1987); VII Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу (Фрунзе, 1988 г.); на II Уральской конференции "Поверхность и новые материалы" (Ижевск, 1988 г.); на XX Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Ижевск, 1989); на X Всесоюзном совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле (п. Черноголовка, 1989); на международной конференции "Некристаллические полупроводники -89" (Ужгород, СССР, 1989); на I международной конференции по диэлектрической спектроскопии в физике, химии и биологии (Иерусалим, Израиль, 2001); на X международной конференции по физике и химии льда (Сент-Джонс, Ньюфаундленд, Канада, 2002), научных семинарах ИФВД РАН (г. Троицк, Моск. обл.), ИХФ РАН им. Н.Н. Семенова (г. Москва), ИСПМ РАН (г. Москва), ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта (г. Москва), опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах.
Объем и общая структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа выполнена на 338 страницах машинописного текста, включает 80 иллюстраций и 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 393 наименования, включая 24 публикации автора по теме диссертации.
Благодарности
Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность д.ф.-м.н. Е. Н. Яковлеву и д.ф.-м.н. Л. Г. Хвостанцеву (Институт физики высоких давлений РАН, Московская обл.), д.х.н. В. А. Жорину (Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова, г. Москва), академику РАН Н.С. Ени-колопяну (Институт синтетических полимерных материалов РАН, г. Москва), профессорам В. Н. Жаркову, В. А. Калинину, Ю. П. Сковородкину, О. А. Похотелову и академику РАН В. Н. Страхову (Объединенный институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва), профессорам Б.В. Шульгину, В.Н. Чуканову (Уральский Гос. Тех. Университет, г. Екатеринбург) и д.ф.-м.н. Г. М. Михееву (ИПМ УрО РАН) за полезные дискуссии и критические замечания по отдельным темам работы.
Самую искреннюю благодарность автор приносит В.В. Меньшикову за проектирование и изготовление пресса с усилием 60 тонн, д.г.-м.н. В. Н. Авдонину (Уральский геологический музей, г. Екатеринбург) за любезно предоставленные образцы природных минералов брусита и натролита, к.т.н. Ю. С. Масленко (Институт сверхтвердых материалов, г. Киев) за изготовление партии наковален Бриджмена, В. П. Скубе за проектирование и изготовление измерительного прибора и В. А. Александрову (Ижевский механический завод) за изготовление оснастки для температурных исследований.
Данная работа была частично поддержана Российским Фондом Фундаментальных исследований (проекты № 93-01-22334, № 95-05-14488 и 01-02-96461).
Сверхчувствительность литосферы при геомагнитных возмущениях, связанных с Солнечной активностью
Понятие сверхчувствительности в физике появилось лишь в последние несколько лет в связи с осознанием возможности существования эффектов с гигантскими откликами природных систем на очень малые воздействия, когда амплитуда откликов в системе на несколько порядков выше амплитуды возбуждения. Например, систему можно определенно считать сверхчувствительной, если возбуждения порядка 10"20 - 10 5 вызывают в ней отклик порядка 1. На данное время имеется не более десятка статей, прямой целью которых было исследование той или иной формы сверхчувствительности систем и теоретических аспектов таких явлений. Среди них работы [1-3] по сверхчувствительности квантовых систем, интересных для исследователей возможностей квантового компьютера и квантовой телепортации (см., например [4,5]). А также работы по сверхчувствительности систем с on — off перемежаемостью при прохождении через систему сигнала с параметрическим шумом [6-9]. Подобный пример сильной чувствительности системы к постоянному возмущению с добавлением шума наблюдался при изучении хиральной селективности химической реакции [10]. Причем речь, в принципе, может идти о высокочувствительном поведении природной среды не только в слабых электромагнитных но и акустических полях [11]. Кроме указанных видов сверхчувствительности, как будет показано в данном диссертационном исследовании, существует ещё сверхчувствительность с не менее интригующими свойствами, связанная, по существу, с усиливающими способностями природных систем [12]. Далее последовательно рассмотрим практически все существующие исследования в этой новой области науки. 1.1.1. Сверхчувствительность, связанная со стохастическим резонансом в системах Суть явления стохастического резонанса заключается в том [12], что добавление в систему шума, т.е. хаотического движения, не уменьшает, а, наоборот, усиливает отклик системы на слабое периодическое воздействие. Иными словами, шум не подавляет сигнал, а способствует ему проявиться. Причем наиболее сильный эффект возникает при некоторой вполне определенной, оптимальной интенсивности шума.
Рассмотрим сначала какую-либо бистабильную систему, т.е. систему с двумя положениями устойчивого равновесия. Простой механический пример [12] -это движение материальной точки в потенциале с двумя минимумами (см. рис. 1.1, а). Если на частицу действует еще и сила трения, то ясно, что какие бы не были выбраны начальные условия, колебания, в конце концов, затухнут, частица "свалится" в одну из потенциальных ям и будет находиться там неограниченно долго. Для того, чтобы частица все-таки попала в другую потенциальную яму, надо приложить внешнюю силу. Если эта сила достаточно велика, то частица из первой ямы перекинется во вторую. Если V(x) - бистабильный потенциал, то внешняя сила должна превосходить величину Fo — V (x)\, взятую в точке перегиба, т.е. там, где возвращающая сила, создаваемая потенциалом, самая большая. Тогда суммарный потенциал модифицируется так, как показано на рисунке, и частица скатится во вторую яму. Если теперь внешняя сила будет периодична по времени, то в результате наша частица будет "перескакивать" из одной ямы в другую и обратно. Итак, ясно, что бистабильная система откликается на сильное внешнее воздействие. При этом частота, с которой система перескакивает из одного устойчивого состояния в другое, совпадает с частотой внешнего воздействия. Посмотрим, что будет, если внешнее воздействие окажется не столь сильным, т.е. F F0. Тогда частица не сможет покинуть яму и останется в ней, несмотря на внешнее воздействие. В результате окажется, что искомая система обладает неким порогом чувствительности: при внешней силе F F0 система начинает перескакивать из одного состояния в другое с частотой внешней силы, а при F Fo система не чувствует внешнее воздействие вовсе. Таким образом, у бистабильной системы существует некоторый порог чувствительности к внешним воздействиям. Слишком слабые, т.е. подпороговые воздействия, остаются для системы незамеченными. Однако и подпороговые сигналы могут оказать сильное влияние на биста-бильную систему, если в системе возникнет стохастический резонанс. Итак, рассмотрим вновь нашу бистабильную систему в отсутствии внешних сил. Допустим, что система находится в одном из положений равновесия. Пусть теперь на частицу действует случайная сила, то есть попросту говоря, шум. Под действием этой силы частица будет случайно колебаться. При этом может ока заться и так, что частица, блуждая по одной потенциальной яме, перескочит и во вторую. Среднее время между такими перескоками равно: Здесь AV- высота барьера, разделяющего две потенциальные ямы, a D - интенсивность шума. Видно, что чем сильнее шум, тем меньше это время, т.е. тем чаще частица перескакивает из одной ямы в другую. Если изобразить зависимость координаты частицы от времени, то получится приблизительно такаяРис. 1.2. Зависимость координаты частицы от времени [13],. картина [13], как на рис. 1.2. Что произойдет, если к внешнему шуму добавить ещё слабый подпороговый периодический сигнал? Т.е. такой подпороговый, который сам по себе, без шума, не смог бы вызвать переход системы из одного состояния в другое. В этом случае частица будет по-прежнему перескакивать из одной ямы в другую, но характер этого процесса изменится: в нем появится периодическая компонента с периодом, равным периоду внешнего слабого сигнала. То есть, перескоки осуществляются за счет случайной силы, а периодическая добавка лишь "модулирует" эффект (добавляет свою собственную периодичность). Именно так это подпороговое возмущение и проявляется: шум устраняет непреодолимый ранее потенциальный барьер и заставляет систему откликаться на подпороговый сигнал. Это и есть явление стохастического резонанса. Самая интересная особенность стохастического резонанса - это то, что существует некая оптимальная интенсивность шума, при которой отклик системы на периодический сигнал самый сильный [13].
Стохастический резонанс наблюдался и в лаборатории, причем в самых разнообразных системах. Кроме того, оказывается, что принцип стохастического резонанса используется и в функционировании живых организмов. Здесь упомянем только два примера - стохастический резонанс применительно к оптическим системам и к возникновению нервных импульсов. Примером оптической системы, в которой наблюдался стохастический резонанс, служит так называемый кольцевой лазер [14- 15], в котором лазерный свет накачивается в резонаторе с тремя или более зеркалами. В этой системе существует два стабильных режима накачки лазерного света, когда свет движется по или против часовой стрелки. Экспериментаторы модулировали параметры накачки в этих двух режимах и наблюдали стохастический резонанс в выходящем лазерном свете. Это был один из первых экспериментов (1988 год), когда стохастический резонанс наблюдался в лаборатории. В начале 90-х годов было осознано, что стохастический резонанс может играть ключевую роль в нейрофизиологических процессах [16 - 18], а именно, в функционировании нейронных сетей, в передаче импульсов от одной группы нейронов к другой. Например, в экспериментах 1991-1993 годов было выяснено, что возникновение нервного импульса в механорецепторных клетках речного рака основано на явлении стохастического резонанса. Благодаря этому, рак может усиками улавливать слабое синхронное колебание воды вокруг себя, несмотря на присутствие разного рода "шумов", и таким образом заранее узнавать о приближении опасности. После этих классических экспериментов появилось много других работ, посвященных роли стохастического резонанса в возникновении и распространении нервных импульсов [16-18]. Сейчас это уже широко принятая парадигма в биологических и нейрофизиологических науках. Совсем недавно, во второй половине 90-х годов, возник вопрос о возможности существования стохастического резонанса на квантовом уровне. Ожидается, что квантовое "дрожание частиц", которое существует всегда, даже при аб
Теория пленочного эффекта двухслойных сфер взвешенных в изоляторе
Духин и Шилов развили модель дисперсии двухслойных сфер взвешенных в изоляторе, считая слои пленочными с соответствующей миграцией и диффузией ионов вдоль поверхности частиц в пленке толщиной h. Пленочный эффект часто определяет как амплитуду поляризации (величину статической диэлектрической поляризации), так и время релаксации дисперсной системы. Диэлектрический прирост в такой системе при достаточно большой объемной проводимости пленки можно рассчитывать по теории Максвелла - Вагнера, рассматривая эквивалентную модель - сплошные проводящие включения с проводимостью G = 2Gj/a в непроводящей среде. Пленочный эффект может привести к очень большим значениям es, ибо всей области охваченной проводящей пленкой, можно приписать бесконечно большую диэлектрическую проницаемость. Несмотря на то, что пленка может занимать ничтожную часть объема в системе, все пространство, экранированное ею от поля, может быть очень большим. Доля таких эффективно проводящих включений может достигать сотен и тысяч единиц. Можно отметить, что по амплитуде эффекта трудно различить объемно -проводящие включения от поверхностно - проводящих, в то время как релаксации для этих двух систем могут сильно отличаться друг от друга. Это объясняется тем, что поляризация тонких пленок связана с тангенциальным перемещением зарядов, необходимых для экранирования частицы на довольно большие расстояния - порядка радиуса частицы.
Поляризация же сплошных проводящих включений, обусловленная смещением по нормали к поверхности на расстояния порядка дебаевского радиуса экранирования, протекает гораздо быстрее и не зависит от размера включения. Решение электродиффузионного уравнения Нернста - Планка с учетом диффузии и миграции и при малых отклонениях концентрации анионов и катионов С ± от их равновесного значения Со приводит к следующему выражению для времени релаксации [56, 99, + Из этого выражения следует, что при малых концентрациях электролита и малых радиусах зерен время релаксации лимитируется диффузией, при больших же доминирует миграция ионов. Упрощенно подобную задачу решал также Шварц [115]. Теория пленочного эффекта для суспензии непроводящих сферических зерен с тонкой проводящей оболочкой в непроводящей среде развита в работе [99]. Рассматривается процесс поляризации отдельного непроводящего сферического включения с проводящей пленкой в непроводящей дисперсионной среде в переменном однородном внешнем поле. Распределение потенциалов внутри сферы q , описывается уравнением Лапласа при условии непрерывности потенциала с учетом скачка индукции на поверхности раздела: (1.56) (1.57) где h - толщина проводящей пленки, причем предполагается h « а\ С+ " -концентрации катионов и анионов в пленке; z - валентности соответствующих ионов ( предполагается что z = z- = z), г, 0- сферические координаты (ось 0 = О совпадает с направлением внешнего поля Е ); t - время. При составлении уравнений (1.55) и (1.57) пренебрегалась возможными не-однородностями распределения ионов по сечению пленки и скачком потенциала в ней. Изменение концентрации ионов во времени обусловлено электро -миграционными и диффузионными тангенциальными потоками: где Ds - коэффициент диффузии ионов в пленке (принимается Д" = Ds =D); CQ - концентрация ионов в пленке в отсутствие поля. В этом уравнении опу F z д р щен квадратичный по полю член , поскольку авторы [99] считают его в слабых полях очень малым. С учетом условия на бесконечности (P\\r = Er cos в exp(jClt) неизвестные ищутся в виде (1.59)
Подстановка этих выражений в уравнения (1.55) - (1.58) приводит к системе из четырех алгебраических уравнений для четырех коэффициентов А, В, С , решая которую авторы [99] получили следующую зависимость амплитуды разности концентраций от частоты: X - обратный дебаевский радиус экранирования; ew - диэлектрическая проницаемость воды. Для мелких частиц у? a h / fa + 2si) «1, и характеристическая частота определяется пленочной диффузией Для крупных частиц, когда выполняется обратное неравенство, характеристическая частота определяется пленочной проводимостью G/: В соответствии с (1.9) полная проводимость пленки растет пропорционально ее толщине h , однако в действительности G/ зависит от толщины более сложно, поскольку на подвижность носителей должно оказывать влияние поле поверхности частицы. В экспериментах [116, 117] было показано, что зависимость G(h) является экспоненциальной. Учитывая, что и зависимость проводимости от температуры также экспоненциальная авторы [99] нашли из выражения (1.63) для характеристической частоты где А и (5- константы; Еа - энергия активации. Анализ этой зависимости показывает, что в нестатическом режиме для каждой толщины пленки или проводимости существует оптимальная частота (температура) для проявления дисперсии, а следовательно; и диэлектрических потерь, и наоборот, для каждой частоты (температуры) существует некоторая толщина пленки или проводимости (7/ при которой пленочные потери максимальны; после прохождения оптимальной толщины s" уменьшается. Эти выводы согласуются с известными экспериментальными данными [118]. Далее продемонстрируем обычный переход в существующих теориях СНЧ дисперсии от одиночного включения к рассмотрению суспензии из таких
Методики исследования сверхчувствительности диэлектриков в СНЧ полях с использованием эффекта Бриджмена
Эксперименты с эффектом Бриджмена проводились с материалами, функционально удобными для того или иного эксперимента. Это значит, что специально подбирались такие вещества, которые в принципе могли иметь ЭБ при данных параметрах температуры в системе сжатия. В работе использовались аморфные и поликристаллические соединения. Полупроводники SiTe4, GeSe2, As2Se3 и весь ряд Geei.x. Испытывались элементарные вещества в аморфном и кристаллическом виде: S, Si, Se, Ge, Те. Сложные химические диэлектрические соединения типа NH4Cl, FeS04 х7Н20, CuS04 хН20, NH2C204xH20 и Н2С204х2Н20. Минералы: брусит - Mg(OH)2, натролит - Na2Al2Si30sx2H20, гипс - CaS04x2H20, кварц - Si02 и твердая вода Н20 - лед. Для получения сплавов в ряду Gee].s поступали следующим образом [199]. Вещества Ge, Se марки ОСЧ смешивали для данного х в соответствующих мае совых (мольных) долях. Затем смесь помещали в кварцевые ампулы, отдельно для каждого х, предварительно промыв смесь и ампулу растворителем CH2CI2 Кварцевые ампулы использовались с целью наиболее чистого синтеза образцов, т.е. парциальное давление паров от кварца в условиях синтеза очень мало и практически не влияет на состав будущего сплава. Далее ампулы помещались в специальное устройство для откачки из них воздуха с целью создания в них относительного вакуума с давлением порядка Р Ш3 -г Ш4 Па и запайки их с помощью ацетиленовой газовой горелки. Таким образом приготовленные смеси веществ помещались в ампулах в специальную печь и нагревались до температуры, немного выше Тт для самого тугоплавкого из данной смеси химического элемента. Выдерживался особо медленный режим поднятия температуры, так как вещества, подобные Se, обладают высокими значениями парциального давления паров и при быстром нагреве давление в ампуле может резко подняться и разрушить её. Для однородного распределения элементов в сплаве ампулы выдерживались в печи около 24 часов.
Свидетельством однородного распределения элементов в сплавах после синтеза является характерная зависимость относительного распределения концентраций Ge и Se по поверхности монолитных образцов, полученная методом Оже - спектроскопии на аппарате типа JAMP -10S. Для получения стекол, ампулы резко опускались в машинное масло. Такой метод получения стекол из халькогенидов широко применяется, оптимален он и для стеклообразования в системе Ge - Se [200 -202]. Для получения поликристаллических образцов ампулы охлаждались на воздухе или по специальному режиму охлаждения вместе с печью. Непосредственно перед экспериментами с эффектом Бриджмена, часть синтезированных слитков с данным х растирали в порошок так, чтобы характерные размеры частичек были порядка 10 2 -г Ш1 мм. Это довольно крупные фракции, свойства которых практически не отличаются от монолитных, однако позволяют достаточно удобно укладывать слои такого порошка между наковальнями. Эта методика приготовления образцов для экспериментов с ЭБ является стандартной [168]. При необходимости образцы из порошка данного вещества получали в виде дисков в специальной пресс-форме с пуансоном. Это давало возможность стандартизировать образцы по массе и толщине. Хотя в дальнейшем в случаях, когда диаметр рабочих площадок используемых НБ был около 10 - 20 мм, порошок просто насыпался на рабочую площадку наковален стандартной по массе порцией.
При нагружении системы НБ лишний материал пластически вытекал из-под них, а оставшаяся масса формировалась в диск практически стандартной величины, толщина которого могла зависеть от массы насыпаемого порошка. Обоснование этой методики приведено в п. 2.5 текущей главы. Указанный метод использовался, например, при доказательстве принципа эквивалентности тепловой и механической энергии диссоциации межатомных связей при явлениях объемного разрушения в ЭБ. Кроме этого, была развита специальная теория [203 -205], выводы из которой, касающиеся зависимости электропроводности материала от степени сжатия гетерогенного тела, позволили судить и о толщине диска между НБ по его эффективной проводимости. Это также позволило оценивать, что иногда бывает важно, толщину сжимаемого диска в предвзрывной стадии сжатия, т.е. непосредственно перед ЭБ. Как известно, среднюю толщину по сечению диска оценить бывает иными способами весьма трудно. Иногда мы добивались необходимой толщины диска, разгружая систему, подсыпая материал и снова нагружая. Это было особенно необходимо при низкотемпературных исследованиях некоторых материалов. Поскольку при низких температурах у материалов, как правило, порог возбуждения значительно растет и методикой с насыпанием материалов со стандартной массой пользоваться становится несколько труднее. Количество выдавливаемого материала при каждой температуре вещества в процессе нагружения на НБ становится непредсказуемым, поэтому метод определения толщины в таких экспериментах по их относительной проводимости давал более правильные значения. Для низкотемпературных экспериментов была изготовлена специальная, но вместе с тем, достаточно простая оснастка [206 -207]. Хорошо известны низкотемпературные исследования в условиях гидростатического сжатия [208, 209].
При низкотемпературных исследованиях ЭБ из-за негидростатического осевого сжатия между НБ нет необходимости в значительных усложнениях методики охлаждения. Поэтому в данной работе использовались лишь специальные теп лоизолирующие муфты 3 с диаметрами, совпадающими с внешними размерами НБ центрирующими две НБ при их охлаждении непосредственно жидким азотом, как показано на рис. 2.7. Оснастка имела термопару, рабочая часть которой располагалась вблизи около сжимаемого между НБ образца. Предварительные опыты показали, что при охлаждении системы с НБ с муфтой (общая масса составляла около 3 кг) до температуры порядка Т 150 К в течение 5 минут, она могла подниматься лишь на ДТ 3 -г 5 градусов. Такая термо инерционность позволяла охладить систему НБ со стандартной толщиной образца (используя метод измерения толщины по проводимости [203 -205]) рядом с прессом и лишь затем поместить систему под пресс. Контроль температуры во всем процессе охлаждения и сжатия системы позволял ожидать систематическую ошибку при её измерении в пределах 3 -г 5 %. Для изучения предыстории распределения элементов в полупроводниковых сплавах типа GeSei до возбуждения в них ЭБ и после ЭБ проводились Оже -спектроскопические исследования поверхности образцов [210] в нескольких десятках точек по линии диаметра дисков до испытания ими ЭБ или после. Опыты проводили в сверхвысоковакуумном Оже - спектрометре высокого разрешения JAMP - 10S с коэффициентом отражения энергии электронов ЛЕ/Е-0,4% и анализатором типа цилиндрического зеркала, в котором анализ поверхности проводили методом электронной Оже - спектроскопии. Поток возбуждающих электронов с энергией 3 кэВ, током 0,1 мкА и диаметром 10 мкм падал на поверхность образца под углом 70 по отношению к поверхности нормали для уменьшения электронно - стимулированных эффектов и зарядки образца. Вакуум был не хуже Р 2 хШ7 Па. Образцы подвергались полировке и очистке этиловым спиртом от возможных жировых пятен. Затем образцы помещали на специальный столик и загружали в вакуумную камеру спектрометра с электронной пушкой.
Скоростная зависимость порога возбуждения взрывной неустойчивости
Во многих работах посвященных ЭБ [168, 178 -184] отмечалось о существовании зависимости порога возбуждения эффекта от скорости нагружения системы сжатия НБ. При этом авторы обычно просто ограничивались лишь констатацией этого факта и поэтому характер такой зависимости не был определен. По этой причине здесь будут продемонстрированы соответствующие эксперименты [207] и рассмотрена теоретическая модель скоростной зависимости порога возбуждения ЭБ. Это тем более интересно по отношению к ЭБ, поскольку для обычных разрушений такая скоростная зависимость имеет место. Более того её характер также хорошо согласуется с выводами термофлуктуационной теории прочности [254]. В работах [255,256] показано, что скоростная зависимость разрушающих напряжений может быть немонотонной, либо содержать спадающий с ростом участок. Это никак невозможно объяснить деформационным старением [256], ибо подобные зависимости получены и для чистых материалов, находящихся в хрупком состоянии. Качественное объяснение уменьшения разрушающих напряжений для хрупких тел при увеличении скорости нагружения следующее. Наличие скоростной зависимости объясняется конкуренцией двух процессов. Первый - разрушением и сравнительно медленно протекающими релаксациями локальных напря-жений, снижающих коэффициент перенапряжений и способствующих тем самым замедлению разрушения [254].
Поскольку влияние релаксации с уменьшением скорости испытаний увеличивается, то это может привести к достижению более высоких средних напряжений в теле, то есть к увеличению его относительной прочности. Известно, что при увеличении скорости нагружения материалов на НБ, средний порог возбуждения уменьшается. Поэтому далее продемонстрируем несколько полученных скоростных зависимостей для четырех веществ. Если в температурных экспериментах постоянной поддерживалась скорость нагружения, то в скоростных исследованиях будет фиксированной начальная температура тел ( Т « 293 К). Толщина образцов в виде дисков были также фиксированными (h = 0,7 ± 0,05 мм ) как в том так и этом эксперименте. Наковальни были те же, что и в температурных экспериментах. Более того, для удобства сравнения и последующих выводов были взяты те же вещества S, Se, NH4Cl и FeS04x7H20. Благодаря возможности варьирования скорости нагружения на нашей установке было возможно найти данные для трех скоростей нагружения, отличающихся друг от друга на порядок. Полученные зависимости представлены на рис. 3.4. Спадающий характер зависимостей порога возбуждения ЭБ от скорости нагружения для всех испытанных материалов свидетельствует о хрупкости диэлектрических и полупроводниковых материалов. с тем, что даже при таких малых скоростях нагру жения в этих материалах не успевают происходить процессы релаксаций и рассеяния дефектов, которые могут возбуждаться при сильном сжатии тел в неоднородных полях механических напряжений. Генерация множества дефектов в телах нагружаемых в системах сжатия на НБ с открытыми границами хорошо известный факт [176].
Кроме того эти дефекты уже внесены при подготовке материалов для экспериментов с ЭБ. Таким образом, демонстрируемый здесь спадающий характер скоростных зависимостей согласуется с соответствующей теоретической оценкой, предложенной в рамках термофлуктуационной модели разрушения [254]: Здесь V- объем элементарной ячейки, п - коэффициент перенапряжений, da/dt О - скорость линейно возрастающего нагружения. Причем, для медленных релаксаций коэффициент перенапряжений выражается в виде где g, to- постоянные и пд- коэффициент перенапряжений при to=0. Таким образом, чем больше скорость сжатия, тем быстрее накапливается критическая насыщенность тела дефектами, увеличивая вероятность возбуждения критических очагов локальных объемных диссоциаций в решетке твердого тела, инициирующих в итоге ЭБ.
