Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы и постановка задачи 11
Введение 11
1.1. Основные положения теории диэлектриков для дисперсных систем 11
1.2. Структура и диэлектрические свойства воды и льда 18
1.3. Диэлектрические свойства грунтов и горных пород 25
Выводы и постановка задачи 32
ГЛАВА II. Техника и методика эксперимента ...35
Введение 35
2.1. Низкочастотные измерения относительной диэлектрической проницаемости ...36
2.2. Высокочастотные измерения в резонаторах и свободном пространстве 43
2.3. Подготовка образцов 49
Заключение 51
ГЛАВА III. Измерение диэлектрических параметров дисперсных сред на низких частотах 52
Введение ...52
3.1. Изучение температурной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости увлажненных дисперсных сред на основе песка 52
3.2. Изучение диэлектрических характеристик древесины и искусственных сред 61
3.3. Диэлектрические свойства дисперсных сред, увлажненных другими полярными жидкостями 65
3.4. Особенности фазовых переходов и их связь с изменением диэлектрических параметров 65
3.5. Исследование влияния квазистационарного электрического поля на диэлектрическую проницаемость дисперсных сред 68
ГЛАВА IV. Измерение электромагнитных параметров криогенных сред в СВЧ-диапазоне 72
Введение 72
4.1. Резонаторные измерения электромагнитных свойств увлажненного песка, их зависимость от температуры и квазистационарного электрического поля 72
4.2. Измерение СВЧ — свойств искусственных сред и других объектов 77
4.3. Радиометрические исследования диэлектрических свойств дисперсных сред на основе песка при фазовом переходе вблизи 0С 79
Выводы 84
ГЛАВА V. Модель диэлектрической релаксации увлажненных дисперсных сред при отрицательных температурах 86
Введение 86
5.1. Модель диэлектрической релаксации увлажненных дисперсных сред.. ...86
5.2. Экспериментальное подтверждение перколяционно-кластерной модели 94
5.3. Особенности измерений диэлектрических характеристик увлажненных дисперсных сред 102
5.4. Возможности практического использования результатов исследования 106
Выводы 110
Заключение 112
Литература 115
- Структура и диэлектрические свойства воды и льда
- Высокочастотные измерения в резонаторах и свободном пространстве
- Изучение диэлектрических характеристик древесины и искусственных сред
- Исследование влияния квазистационарного электрического поля на диэлектрическую проницаемость дисперсных сред
Введение к работе
Радиофизические измерения параметров природных и искусственных сред широко используются как в научных исследованиях, так и в различных практических приложениях. Такие исследования позволяют получить информацию о внутренней структуре вещества без его разрушения. Одним из важных направлений радиофизических исследований является диэлектрометрия дисперсных сред (ДС). Данное направление включает в себя измерение диэлектрических характеристик ДС, их зависимости от температуры и других внешних параметров, на основе чего возможно решение задачи о физических свойствах и особенностях структуры таких сред.
ДС включает в себя широкий класс объектов, как искусственных, так и природных, в том числе грунты, знание физико-химических параметров которых имеет важное прикладное значение. Увлажненные ДС - сложные гетерогенные системы, особенностью которых является возможность значительного преобразования структуры и свойств при фазовом переходе вода-лед. При этом температура фазового перехода в ДС сильно зависит от взаимодействия молекул воды с поверхностью частиц других компонент. При изменении температуры ДС, пройдя через точку фазового перехода — 0С, содержит воду как в твердом, так и в жидком состоянии, что определяет особенности и многообразие диэлектрических свойств.
Несмотря на широкое изучение ДС, до сих пор появляются все новые и новые данные об их необычном поведении (то же относится и к средам со сложным химическим строением). Например, в работе [1] в кристаллах CaCuTi40i2 при увеличении температуры выше 100 К на килогерцовых частотах наблюдался резкий рост действительной части диэлектрической проницаемости вплоть до значений - 105. В субмиллиметровом диапазоне это значение, напротив, росло с понижением температуры и изменялось от 75 до 110 (на частоте 600 ГГц). При этом наиболее удивительным оказалось отсутствие сегнето-электрических свойств в исследуемом веществе.
Композитные среды, разнообразного состава и структуры, которые можно считать разновидностью ДС, также обнаруживают необычное поведение диэлектрической проницаемости [2, 3, 4]. В искусственных диэлектриках с регулярной пространственной проводящей структурой (в виде колец, спиралей, шаров и т.п.) обнаружены одновременно отрицательные диэлектрическая и магнитная проницаемости [5]. Следствием данного эффекта является возникновение отрицательной дисперсии волн и необычных законов преломления и распространения электромагнитного излучения [6].
С другой стороны, изучение мерзлых грунтов привело к открытию в них немонотонного хода диэлектрической проницаемости при изменении температуры в микроволновом диапазоне [7, 8].
Даже из приведенного выше краткого перечисления последних публика
ций очевидна актуальность исследования физических механизмов диэлектриче
ской релаксации в увлажненных ДС и в искусственных системах. В связи с
этим цель настоящей работы состоит в продолжении исследований диэлектри
ческих характеристик природных и искусственных ДС при отрицательных тем
пературах для построения адекватной эксперименту физической модели, ди
электрической релаксации. :, . ;
Конкретные задачи исследования состояли в следующем:
изучить температурные зависимости действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости содержащих воду ДС на основе песка, в широком интервале температур (+20 - -180С);
исследовать диэлектрические параметры промерзающих грунтов и искусственных ДС в широком частотном интервале 120 Гц - 100 кГц и 5 — 8 ГГц;
изучить особенности температурных зависимостей диэлектрических параметров криогенных ДС одновременно радиофизическими и теплофизически-ми методами;
- определить характерные механизмы диэлектрической релаксации для объяснения аномалий низкочастотных и микроволновых электромагнитных свойств криогенных ДС.
Для решения поставленных задач использовались различные методы физических исследований, поскольку использование одного метода измерений, а также проведение измерений в узком интервале частот недостаточно полно отражают всю совокупность свойств объекта. В данной работе выполнены измерения диэлектрической проницаемости одних и тех же объектов в широком диапазоне частот от 120 Гц до десятков гигагерц. При этом на низких частотах измерения выполнялись методом емкостной ячейки на 120 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц с автоматической записью до 10 измерений в секунду на каждой частоте. На сверхвысоких частотах образцы исследовались с помощью резонаторного метода на частотах 5 — 8 ГГц и путем радиометрических измерений в свободном пространстве на частотах от 5,2 до 37,5 ГГц.
Был также развит подход, использованный в работе [9], где на одних и тех же образцах наряду с радиофизическими выполнены калориметрические исследования фазовых переходов в ДС. Совмещение калориметрических измерений абсолютных тепловых величин с микроволновыми - весьма сложная задача. Она была решена с применением сравнительного метода, когда осуществлялась запись изменений температуры во времени при равномерной подаче охлаждающего газа в термокамеру с измеряемой ячейкой или резонатором. Несмотря на то, что данный метод является сравнительным, он имеет достаточно высокую чувствительность и относительно малую инерционность. Применение такого способа измерений совместно с радиофизическими измерениями позволило получить новые представления о ходе диэлектрической релаксации при изменениях температуры.
По данным экспериментального исследования и их обобщения получены следующие основные результаты:
по изучению влияния полярных жидкостей (НгО, D2O, С2Н5ОН и их смесей) на диэлектрические характеристики ДС при криогенных температурах установлены особые свойства воды, содержащейся в них;
обнаружен гистерезис комплексной диэлектрической проницаемости увлажненных ДС при криогенных температурах в квазистационарном электрическом поле, что указывает на ее сегнетоподобное поведение;
экспериментально доказано влияния перколяции на рост диэлектрической проницаемости увлажненных ДС при изменении температуры на низких частотах;
экспериментально подтверждено влияние перколяции на электромагнитные свойства увлажненных ДС на основе песка при отрицательных температурах в СВЧ-диапазоне;
-определены ограничения существующих методик измерений диэлектрических параметров ДС, связанные с их нелинейностью вблизи точки перколяции как при измерениях на низких, так и на сверхвысоких частотах
Указанные положения выносятся на защиту. ...,,.
Практическая ценность работы заключается:
в получении новых данных о радиофизических свойствах ДС, что расширяет знания в области их электромагнитных свойств природных объектов;
в обосновании возможности усовершенствования методов и конкретных методик исследования увлажненных ДС при низких температурах, а также в интерпретации получаемых экспериментальных результатов на основе предложенной физической модели
в установлении дополнительных возможностей использования диэлектрических измерений для изучения физико-химических процессов в промерзающих ДС.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования связаны
- с исследованием увлажненных ДС при помощи различных радиофизи
ческих методов в широком интервале частот от 120 Гц до 37,5 ГГц, проведени-
ем одновременных электрофизических и калориметрических измерений при охлаждении сред до -180С, что позволило выявить ранее неизвестное явление - влияние перколяции (проводимости по пленкам воды) на величину диэлектрической проницаемости ДС;
- с предложенной, обоснованной и доказанной перколяционно-
кластерной моделью ДС, на основе которой возможны разработки радиофизи
ческих моделей конкретных типов увлажненных ДС при криогенных темпера
турах;
- с исследованием радиофизических свойств модельных искусственных
сред, в частности, содержащих мелкие проводящие частицы, которое подтвер
ждает влияние перколяции на диэлектрические свойства ДС.
Достоверность полученных результатов определяется:
а) большим количеством выполненных экспериментов, с использованием
различных современных методик и методов измерений в широком интервале
частот и температур;
б) согласием ряда экспериментальных результатов с данными измерений
других авторов;
в) обоснованием полученных экспериментальных данных на основе со
временных физических представлений об электромагнитных свойствах вещест
ва.
Основное содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 124 страниц, в том числе 23 страницы рисунков. Список использованной литературы содержит 105 работ.
Во введении раскрывается актуальность исследования, перечислены цели и задачи исследования, основные результаты, а также приведен краткий обзор работы.
В первой главе дан обзор литературы и сформулированы задачи исследования, которые направлены на выявление аномалий диэлектрических свойств увлажненных природных и искусственных ДС при криогенных температурах.
Во второй главе описаны методики экспериментальных исследований и обосновывается выбор параметров установок (частотных и температурных интервалов), указываются погрешности измерений и особенности приготовления образцов.
В третьей главе приведены результаты диэлектрических и калориметрических измерений увлажненного песка, древесины и искусственных сред, состоящих из смеси сухого песка и мелких металлических частиц, на частотах 120 Гц — 100 кГц. Выявлены различные аномалии температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Получены высокие значения действительной (є') и мнимой (є") частей относительной комплексной диэлектрической проницаемости, что как правило связывается с существованием проводимости на постоянном токе. Однако при этом изменение фактора потерь имеет зависимость отличную от со*1 (со - угловая частота), которая следует из теории при существовании электропроводности среды. Другой особенностью является резкий скачок є' в узком интервале температур вблизи фазового перехода свободная вода -лед. .
Выполнены также измерения диэлектрических параметров ДС в случае увлажнения их другими полярными жидкостями, а также исследования воздействия на среду квазистатического электрического поля,
В четвертой главе дано описание результатов микроволновых исследований. При измерениях увлажненных ДС резонаторным методом на частотах 5-8 ГГц в случае полного заполнения прямоугольного резонатора исследуемой средой обнаружено существование дополнительных резонансов вблизи низшей моды колебаний, которые отсутствуют для сухих сред. Этот эффект изучен для различных ДС (дробленое стекло, плексиглас, смесь сухого песка и металлических частиц и др.). Радиометрические исследования промерзающего песка в
свободном пространстве на частоте 5,2, 13,5 и 37,5 ГГц выявили некоторые отклонения от обычных представлений теории диэлектрических свойств смесей.
В пятой главе обобщены результаты низкочастотных и микроволновых измерений и предложена физическая модель диэлектрической релаксации увлажненных ДС.
Объяснение низкочастотных и микроволновых аномалий, исследованных
в данной работе, наилучшим образом выполняется в рамках единой модели, ко
торой на наш взгляд является перколяционно-кластерная модель. Согласно этой
модели низкочастотные аномалии диэлектрических характеристик увлажнен
ных ДС могут быть объяснены высокой восприимчивостью среды в точке пер-
коляции. Появление дополнительных резонансов в микроволновых спектрах
объясняются наличием в ДС отрицательной дисперсии, что было проверено в
модельных экспериментах. Предполагается, что отрицательная дисперсия в
мерзлой среде связана с перколяционными кластерами, создающими простран
ственную дисперсию. . ;
В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны выводы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на: Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами» в г. Муроме (2001 г); XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн в г. Н. Новгороде (2002 г); Международной конференции по физике внутренних водоемов в г. Петрозаводске (2003 г); научных сессиях ЗабГПУ по итогам научно-исследовательской работы (2000, 2002, 2003 гг); научных семинарах лаборатории геофизики криогенеза ЧИПР СО РАН, ИКИ РАН и Mill У.
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и диэлектрические свойства воды и льда
Молекула воды НгО имеет устойчивую структуру, возникающую при соединении одного атома кислорода и двух атомов водорода, при этом атомы кислорода и водорода совместно владеют общими электронами - возникают кова-лентные связи. В результате межмолекулярного взаимодействия в воде возможно образование структурных пространственных систем - кластеров, ведущих себя подобно гигантскому полимеру. Такое структурирование может сохраняться водой с течением времени, и определять ее аномальные свойства [30, 31]. Жидкая вода может достаточно долго находиться в переохлажденном состоянии. При нормальном давлении ее переохлаждение возможно до -39С, а при давлении 2000 ат. до -92С [32]. Диэлектрические свойства воды и характер их изменения с температурой в значительной степени связан с разрушением связей между молекулами. Статическая диэлектрическая проницаемость воды может быть вычислена по формуле Кирквуда [11, 32]. Однако при повышении температуры совпадение ухудшается. Если же учитывать разрыв связей и концентрацию различных структурных группировок - виды структур с различным взаимным расположе ниєм молекул, то вычисленные по методу Кирквуда значения є3 согласуются с экспериментальными данными в пределах 3% [32, 33, 34]. Статическая диэлектрическая проницаемость es воды уменьшается с ростом температуры изменяясь от 88 при 0С до 34,6 при +200С [30, 32]. Релаксационные свойства воды хорошо описываются теорией Дебая [32]. С увеличением частоты диэлектрическая проницаемость от своего низкочастотного предела є8 до частот 109 Гц при определенной температуре мало изменяется, в диапазоне 109-1010 Гц резко падает и на частоте 3-Ю11 Гц имеет значение 5,7 при +20С. На низких частотах диполи успевают ориентироваться соответственно полю и диэлектрическая проницаемость воды близка к статической.
При увеличении частоты диполи престают следовать за изменением поля, и диэлектрическая проницаемость приближается к величине, обусловленной электронной поляризацией Єщ. Частотная зависимость диэлектрических потерь воды объясняется наложением релаксационных явлений и сквозной проводимости. На частотах ниже І О7 Гц потери в воде вызываются в основном проводимостью, на частотах выше 10 Гц релаксационные потери значительно выше, чем потери связанные со сквозной проводимостью. Максимум потерь при 20С находится на частоте около 15 ГГц. Увеличение температуры ведет к снижению диэлектрической проницаемости и смещению максимума диэлектрических потерь в сторону более высоких частот [30, 35]. Природная вода кроме легкой воды Н20 содержит 0,01 - 0,03 % тяжелой воды - D2O. Электронная конфигурация молекулы D20 почти не отличается от электронной конфигурации Н20, однако масса ее больше. При замене водорода дейтерием происходит увеличение энергии электронных переходов и, следовательно, уменьшение поляризуемости дейтерия по сравнению с водородом. В последнее время все больше данных, указывает на то, что различие между свойствами тяжелой и легкой воды не укладываются в обычный изотопный эффект [32]. Вода обладает многообразием кристаллических фаз. При температуре 0С и давлении 1 ат возникает обычный лед Ih, имеющий гексагональную структуру В кристалле льда молекулы воды ориентируются таким образом, чтобы образовать с четырьмя ближайшими молекулами воды правильные водородные связи [32, 33, 36]. Атомы кислорода во льду упорядочены, благодаря чему лед представляет собой кристалл, протоны же неупорядочены. С точки зрения их разупорядоченности лед можно отнести к аморфным телам, т.е. лед одновременно является и кристаллом и аморфным телом — стеклом [33]. Неупорядоченность протонов определяет высокие значения остаточной энтропии льда. При достаточно высоких температурах 0 —20С на поверхности льда существует так называемый квазижидкий слой, который захватывает от нескольких десятков до нескольких сотен молекулярных слоев, лежащих у поверхности льда [32, 33, 37]. Если молекулы воды, находящиеся в толще кристалла, связаны с четырьмя другими окружающими молекулами, то молекулы, находящиеся на поверхности, имеют свободные водородные связи. И в квазижидком слое по мере удаления от поверхности происходит непрерывное изменение расположения диполей. На поверхности расположение диполей строго упорядочено, далее этот порядок нарушается, а затем устанавливается присущая кристаллу полная разупорядоченность в расположении диполей — модель квазижидкого слоя Флетчера [32]. По последним данным, полученным методом лазерной спектроскопии, квазижидкий слой на поверхности кристалла льда существует до температур -80 - -90С [37]. Кроме квазижидкого слоя на поверхности льда в силу различных причин (давление, трение, примеси) возникают микроскопические пленки воды, которые не имеют отношения к квазижидкому слою. Возникновение этих пленок возможно из-за установившегося термодинамического равновесия, при котором одновременно может существовать вода и лед. Слой воды на поверхности кристалла льда определяет его поверхностные свойства.
Одной из основных особенностей кристалла льда, также определяющей его физические свойства, является присутствие ионных и ориентационных дефектов. Ионные дефекты образуются в результате переходов протонов от одной молекулы Н20 к другой с последующим образованием ионов гидроксила ОН- и гидроксония НзО+. Ориентационные дефекты представляют собой молекулы НгО, ориентированные относительно друг друга по иному, чем основная часть молекул, образующих кристалл. Электропроводность монокристалла льда невелика. Долгое время счита лось, что ее механизм - протонно-дырочный. Однако эксперименты показыва ют, что самодиффузия в кристалле льда осуществляется перемещением целых молекул Н20, а не перескоком отдельных протонов. Возможны и другие меха низмы проводимости однако вопрос этот остается в значительной степени от крытым [11, 32]. ,;.,;-. , .;.....,.., Наличие примесей, даже в малых объемах, резко изменяет электропроводность и поляризуемость льда. Поликристаллический лед по своим электрическим свойствам сильно отличается от монокристаллического, поскольку в межзерновых зонах происходит скопление дефектов, примесей, пленок жидкости, квазижидкой фазы и проч. Поликристаллический лед, в отличие от монокристаллического, обладает высокой электропроводностью и является ионным проводником [11, 32]. Однако при более низких температурах поверхностная проводимость по значению приближается к объемной, что свидетельствует о вымораживании слоев жидкости на поверхности льда [32]. Диэлектрические параметры льда существенно отличаются от параметров воды. Статическая диэлектрическая проницаемость льда растет с понижением температуры и составляет при -0,1 С - 91,5, а при -66С - 133 [30]. Статиче
Высокочастотные измерения в резонаторах и свободном пространстве
Измерения в резонаторах Высокочастотные измерения диэлектрической проницаемости образцов в частотном интервале 5,3 — 8,4 ГГц проводились резонаторным методом [71] с использованием прямоугольных резонаторов типа Нюь при их полном заполнении исследуемой средой и измерителя частотных характеристик 2-5 7. В экс-периментах использовались два резонатора сечением 8x17 мм, и длиной 1 = 20 мм и 14,6 мм (рис. 2.4). Размеры и сечение выбраны таким образом, чтобы в используемом диапазоне частот для типичного значения диэлектрической проницаемости исследуемых образцов, наблюдалась одна резонансная линия пропускания, соответствующая его низшей резонансной частоте. Для прямоугольного резонатора, заполненного однородным диэлектриком без потерь, резонансные частоты находятся по формуле [74]: где с- скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; а, Ь, 1 -три размера прямоугольного резонатора; т, п, р -1, 2, 3,... Собственные низшие резонансные частоты двух резонаторов составляли 11,6 ГТц и 13,6 ГГц. Рассчитанная по формуле (2.13) ближайшая резонансная частота і"ю2 в 1,5 раза превышает низшую резонансную частоту і"юі.для резонатора длиной 20 мм и — в 1,7 раза для более высокочастотного резонатора. Некоторые эксперименты были выполнены с использованием круглого резонатора типа Еою, подключаемого к коаксиальной линии передач на частотах 4-5 ГГц. Сложность работы с таким резонатором заключается в возможности возникновения большего числа мод колебаний.
Схема экспериментальной установки показана на рисунке 2.5. В разрыв волноводной линии (3) помещался резонатор (1) с исследуемым образцом. Связь резонатора с волноводным трактом осуществлялась через диафрагмы со щелями в Н-плоскости. Часть волноводного тракта с резонатором помещалась в теромокамеру (2), куда посредством резистора-испарителя (8), питаемого от стабилизированного источника постоянного тока ( ) из сосуда Дьюара (7) подавались цары азота, охлаждающие образец. Изменение температуры резонатора фиксировалось терморезисторным (10) и термопарным (11) датчиками, помещенными в корпус резонатора. Погрешность измерения темпе-ратуры составляла ±0,1 С для терморезисторного и ,±2С для, термопарного датчиков. С помощью измерителя частотных характеристик (12) измерялось значение резонансной частоты. Погрешность в этом случае составляла г- ±10, МГц. Для более точных измерений использовался цифровой частотомер 43-34, в этом случае погрешность измерений частоты не хуже ±1 МГц. Все измерения проводились при температурах ниже 0С, что исключало возможность таяния образцов. , Измерялись такие характеристики резонансной кривой образца, как резонансная частота fm , fL, fH —нижняя и верхняя, соответственно, частоты по уровням 0,5 и 0,25 от максимума (уровни -3 и —6 дБ), а также амплитуда резонансного максимума. На рисунке 2.6 представлен типичный, вид резонансной кривой, по которой определяются указанные выше резонансные характеристики. Затем по полученным значениям с помощью формул (2.8) и (2.9) вычисля лись величины действительной є и мнимой є" частей комплексной диэлектрической проницаемости: где f0 - собственная частота резонатора. Для анализа формы (симметрии) резонансной кривой вычислялось отношение AfH верхней полуширины к AfL нижней - Ъ: В резонаторе выполнялись также эксперименты по изучению влияния электрического поля на микроволновую диэлектрическую проницаемость мерзлого песка. Для этого описанные выше резонаторы были модифицированы.
В центральную часть прямоугольного резонатора параллельно широкой стенке волновода вводилась металлическая пластина. Линии постоянного электрического поля при этом оказывались параллельны линиям высокочастотного электрического поля в среде. Напряжение к пластине подводилось по тонкому проводнику, выходящему во внешнее пространство через небольшое отверстие в боковой стенке резонатора. Напряжение 0 - 250 В от внешнего источника постоянного тока подавалось на пластину и корпус резонатора. Каждое его значение поддерживалось в течение нескольких минут. Максимальная напряженность электрического поля в среде достигала нескольких десятков киловольт на сантиметр. В случае изменения диэлектрической проницаемости среды под действием поля должны изменяться резонансные характеристики пропускания резонатора.
Изучение диэлектрических характеристик древесины и искусственных сред
Древесина является сложной ДС, содержащей воду [9]. Нами были проведены измерения древесного вещества молодой сосны влажности 49% и 41% с параллельным и перпендикулярным полю расположением волокон. Диэлектрическая проницаемость и потери в обоих случаях уменьшаются с понижением температуры так же, как и для влажного песка. Однако спад в этом случае происходит менее резко, что связано с большей (по сравнению с увлажненным песком) структурированностью влаги в древесине. Кроме высоких значений є и є", других аномалий - скачков є и экстремумов є" - при исследовании древесины на низких частотах не обнаружено (рис. 3.12). Зависимости є" от частоты в двойном логарифмическом масштабе для древесины, как и в предыдущем случае, имеют вид прямых (рис. 3.13). Тангенс угла наклона а этих прямых колеблется от 2,9 при положительной температуре до 2,6 - 2,7 при низких температурах. Ниже -70С вид зависимости In є"(1п f) несколько отличается от линейной. Для интерпретации ряда аномальных свойств увлажненных ДС было необходимо смоделировать эти свойства с помощью искусственных сред. Нами была измерена комплексная диэлектрическая проницаемость подобной среды, состоящей из смеси сухого песка и проводящих железных опилок (размером 0,4 мм), концентрацию которых к=топилок/тпеска можно было менять. На рис. 3.14 а, б представлены полученные зависимости емкости С измерительной ячейки и ее проводимости G, (по которым можно вычислить є и є") от концентрации к металлических опилок. При малых значениях к величины действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости невелики. Как только концентрация проводящей фракции достигает некого порогового значения, диэлектрическая проницаемость такой системы скачкообразно возрастает на 3 - 4 порядка (рис. З.І4 а). При этом растет и эффективная проводимость системы (рис. 3.14 б). В точке скачка появляется сквозная проводимость на постоянном токе.
На рис. 3,14 в представлена зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от емкости измерительной ячейки. В точке, где наблюдается скачок емкости образца (или є ), тангенс угла потерь близок к единице. После механического воздействия на конденсатор (например, постукивания по нему) емкость упала, a tgtp возрос несмотря на неизменную концентрацию металлических включений 3.3. Диэлектрические свойства дисперсных сред, увлажненных различными полярными жидкостями Наряду с ДС на основе песка, увлажненного водой Н20, проводились измерения их диэлектрических характеристик при увлажнении другими полярными жидкостями - тяжелой водой D20, этиловым спиртом С2Н5ОН и их смесями с НгО. При низкочастотных измерениях песка увлажненного тяжелой водой, зависимости действительной и мнимой частей комплексной относительной диэлектрической проницаемости от температуры, частоты и влажности, в целом, имеют тот же характер, что и в случае увлажнения водой НгО. Отмечаются большие значения є и є" влажной среды, с резким их уменьшением после вымораживания свободной воды. Наблюдается возрастание є около температуры фазового перехода и небольшие экстремумы є" при низких температурах. В среде, увлажненной 96% спиртом, аномальных эффектов не было отмечено. Значения диэлектрической проницаемости близки к табличным. Например, при весовом содержании спирта в образце 14% значение є не превышает 50. Иная картина наблюдается при увлажнении песка 50% раствором этилового спирта в воде. Значения є и є" резко возрастают, например, на 1 кГц при 11 % содержании раствора в песке є и є" равны 300 и 8000, соответственно. Кроме того появляются аномалии при изменении температуры наблюдаются множественные бессистемные скачки диэлектрических параметров. Параллельно с исследованиями диэлектрических параметров ДС проводились их калориметрические измерения. Фазовый переход свободной воды в твердое состояние, как правило, происходил после переохлаждения образцов и характеризовался резким выделением тепла. При этом величина температурно го скачка могла достигать 8 - 10С, (рис 3.15 а, б). В некоторых случаях указанный выше переход происходил с двумя, меньшими по значению, выбросами тепла (рис 3.15 в, г) или вообще без каких-либо резких изменении температуры (рис 3.15 д), когда при непрерывном охлаждении в течение некоторого времени ее значение оставалось постоянным Фазовые переходы свободной воды в лед, характеризующиеся температурными зависимостями, приведенными на рисунке 3.15, сопровождаются резкими изменениями диэлектрических характеристик. При этом проводимость, а, следовательно, потери резко падают. Действительная часть диэлектрической проницаемости вблизи фазового перехода, как ниже, так и выше его по температуре, может иметь резкий скачок с последующим уменьшением. Необходимо отметить, что температура, измеренная термопарой, соответствует определенной достаточно малой области исследуемого объекта.
При конечной скорости охлаждения температура в образце неоднородна. Поэтому фазовый переход воды в лед, характеризующийся выделением тепла, в различных областях образца может происходить неодновременно, а быть размытым в некотором интервале температур. При выборе другой методики калориметрических измерений такие температурные выбросы могут быть незаметны, а прохождение фазового перехода, характеризуется только постоянством температуры в течение некоторого времени. Выполненные в [9] оценки показывают, что возможное отклонение температур в разных точках образца при используемой скорости охлаждения - 1 К/мин, может достигать нескольких градусов. Тот факт, что температура измеряется в одной точке образца, может служить объяснением наблюдающегося при разных измерениях отличия температуры фазового перехода от температуры резкого изменения диэлектрических параметров. Может оказаться, что в точке, где располагается термопара, фазовый переход, уже произошел, а в большей части образца вымораживание воды полностью еще не закончилось, или наоборот.
Исследование влияния квазистационарного электрического поля на диэлектрическую проницаемость дисперсных сред
В процессе исследований были выполнены измерения диэлектрической проницаемости и проводимости ДС на основе увлажненного песка в зависимости от напряженности постоянного электрического поля в диапазоне от 0 до 100 В/см при двух противоположных его направлениях. Полный цикл изменения поля при измерениях составлял 10 минут. Измерения проводились при положительной +22С и отрицательной -5С температурах. Результаты измерений при температуре +22 С приведены на рис.17. Гис-терезисные явления в ДС при слабом увлажнении (рис. 3.16 а) выражены слабо, их проявление становится более заметным, начиная с влажности 3 - 4%. На рисунке 3.16 б представлены результаты измерения диэлектрических характеристик песка 12% влажности, здесь видна значительная нелинейность свойств, в том числе и при изменении полярности поля. На рисунке 3.17 представлены результаты измерений емкости и проводимости ячейки с песком, влажность которого составляет 8% при изменении величины и направления постоянного электрического поля при температуре -5 С. Виден значительный гистерезис действительной части комплексной относительной диэлектрической проницаемости, причем значение емкости по истечении 15 минут после снятия поля вернулось к первоначальному (точка 1 на рис. 3.17). Гистерезисные явления в проводимости мерзлого песка выражены значительно слабее. Влияние квазистационарного электрического поля на диэлектрические характеристики изучалось также для искусственной среды, состоящей из смеси сухого песка и металлических опилок, при концентрации последних выше критической, когда в ней уже существует перколяция. Зависимость емкости ячейки с перколяционной средой от приложенного к ней напряжения показана на рис. 3.18. Видна нелинейная зависимость емкости от напряжения и наличие гистерезиса. (Измерения проводились в ячейке с размерами пластин 40 х 40 мм2 и расстоянием между ними 8 мм). Выводы 1.
На низких частотах при влажности 4% действительная Б И мнимая s" части комплексной диэлектрической проницаемости ДС на основе песка, ув лажненного НгО и D20, а также древесины имеют высокие значения, дости гающие для є - 10і, для є" - 106. Они тем выше, чем выше влажность образца и меньше рабочая частота. 2. Формирование криогенной структуры (вымерзание свободной воды) характеризуется резким изменением диэлектрических параметров, которые уменьшаются в несколько раз, причем чем больше влажность и меньше часто та, тем значительнее эти изменения. 3. При охлаждении образцов влажного песка типичным является резкое увеличение диэлектрической проницаемости вблизи фазового перехода свободной воды в твердое состояние. 4. Уменьшение температуры ниже -2 О С ведет к вымерзанию связанной воды, и на кривой s (T) при температурах -70 - -100С наблюдаются изгибы, свидетельствующие о произошедшем преобразовании криоструктуры. Тангенс угла потерь после вымерзания свободной воды порядка единицы; 5. При температурах -90 - -120С в некоторых случаях наблюдаются экстремумы диэлектрических потерь. 6. Зависимость є" от частоты в двойном логарифмическом масштабе для ДС на основе влажного песка и древесины при Т = -10 - -50С линейна, причем тангенс угла наклона аопределяется температурой и влажностью образца и меняется от 0 до 3. 7. Исследования ДС, увлажненных различными полярными жидкостями, свидетельствует о том, что указанные в п.п. 1 и 2 аномальные диэлектрические явления определяются, содержанием в ДС воды (Н20 или D20), 8. Искусственная среда при увеличении концентрации проводящей фракции обнаруживает аномальное диэлектрическое поведение, характеризующееся резким ростом е и Е", при этом tg ф 1. Указанные особенности связаны с возникновением некоторой структуры, механическое нарушение которой вызывает спад є , при высоких значениях проводимости и tg р » 1, что свидетельствует о преобладании в этом случае проводимости на постоянном токе. 9. По данным калориметрических измерений переход свободной воды в лед, характеризующийся выделением тепла, вызывает формирование криогенной структуры, что значительно изменяет диэлектрические свойства среды. 10.
Экспериментально наблюдался гистерезис диэлектрической прони цаемости увлажненных ДС при положительных и отрицательных температурах при изменении величины и направления электрического поля. Диэлектрические свойства ДС в СВЧ - диапазоне волн существенно отличаются от низкочастотных. Прежде всего, значения є и є" не достигают «гигантских» значений — 105 — 106. Это свидетельствует о том, что в этом случае действуют иные механизмы релаксации. Обзор литературы свидетельствует о том, что предлагаемые теории диэлектрической проницаемости удовлетворительно описывают микроволновые свойства ДС. Однако в работах [7, 8] при измерениях в волноводах в процессе охлаждения среды были обнаружены необычные свойства мерзлого песка: возрастание є и є" при переходе через точку фазового перехода и немонотонный ход температурных зависимостей. В данной главе представлены результаты измерений песка резонаторным и радиометрическим методами, исследованы другие виды ДС. Полученные данные позволили высказать новую гипотезу о причинах аномалий и особенностях структуры увлажненных ДС [79, 80,81, 82, 83].
Похожие диссертации на Диэлектрические свойства увлажненных природных и искусственных дисперсных сред при криогенных температурах
