Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Классификация и физические свойства слюд . 8
1.1 .Структура и разновидности кристаллов слюды 8-18
1.2 Физические свойства кристаллов слюды 19-26
1.3. Электрические свойства слюд. 27-29
1.4. Зарядовое состояние свежеобразованных поверхностей кристалла слюды
1.5. Плёночная вода на поверхности кристаллов слюды 32-36
1.6. Особенности релаксационных свойств водных пленок в слюдяном сырье
1.7. Методы диэлектрической спектроскопии для исследования свойств пленочной воды в расколах кристаллов слюды.
1.8 Поляризация и абсорбционные процессы в слюдах 44-49
Глава 2. Влияние электрических полей свежеобразованных поверхностей кристаллов слюды на свойства водных пленок. Свойства кристаллов слюды с прослойками воды .
2.1.Зарядовое состояние и электрические поля свежеобразованных поверхностей кристалла
2.2. Обоснование метода измерений диэлектрической проницаемости и фазовых переходов пленочной воды
2.3. Анализ эквивалентной схемы слоистого конденсатора. Диэлектрическая проницаемость тонких
пленок воды.
2.4. Влияние пленок воды на диэлектрические свойства кристаллов слюды при низких температурах
Глава III. Теоретический анализ и экспериментальные методы исследования электропроводности листовых и мелкодиспергированных слюд. Токи термостимулированной деполяризации в кристаллах слюды .
3.1. Тепловое движение заряженных частиц в твердых телах. Энергия активации носителей тока
3.2. Электропроводность идеального слоистого диэлектрика .
3.3.Экспериментальное исследование удельной объемной и удельной поверхностной электропроводности кристаллов мусковита и флогопита. Измерительная ячейка и особенности методики исследования.
3.4 Взаимодействие свежеобразованной поверхности кристаллов мусковита с тонкими водными слоями. Токи термостимулированной поляризации.
Глава IV. Особенности поляризационных эффектов в слюдах . 112
4.1. Измерительная ячейка. Особенности методики исследования диэлектрических характеристик листовых слюд.
4.2. Теоретический анализ распределения электрического поля в гетерогенных структурах
4.3. Исследование закономерностей поляризационных эффектов при нагревании и комнатной температуре в слюдяном сырье.
4.3. Диэлектрическая релаксация в диспергированных слюдах.
4.4. Экспериментальные исследования действительной(є') и мнимой (с") составляющих диэлектрической проницаемости.
4.5 Теоретическое обоснование методов релаксации абсорбционных характеристик в гетерогенных системах
4.6 Релаксационные процессы абсорбционной электрической емкости мелкоразмерного флогопита
4.7 Особенности поляризационных эффектов в мелкодисперсных слюдах при их нагревании и под влиянием внешнего электрического поля.
Заключение 155-158
Литература 159-168
- Физические свойства кристаллов слюды
- Обоснование метода измерений диэлектрической проницаемости и фазовых переходов пленочной воды
- Электропроводность идеального слоистого диэлектрика
- Теоретический анализ распределения электрического поля в гетерогенных структурах
Введение к работе
Актуальность работы. Востребованность промышленного
производства в новых материалах для объектов энергетики и машиностроения может быть удовлетворена созданием современных технологий функциональных материалов и изделий с высоким уровнем физико-технических свойств и повышенного ресурса
Минералы группы слюд широко распространены в природе. Они встречаются почти во всех генетических типах пород: метаморфических, изверженных, осадочных и других и часто сами являются породообразующими минералами. Уникальная способность слюды расщепляться по плоскости спайности в сочетании с высокими электрическими и механическими характеристиками, обуславливает ее широкое применение в различных областях техники. Развитие отечественной слюдообрабатывающей промышленности выдвигает задачи повышения качества выпускаемых слюдоматериалов и поиска дополнительных областей применения слюд. При современном повышении требований к производимым слюдоматериалам, необходимость модернизации процессов обогащения слюды, использования современных методик проведения мониторинга качества готовой продукции, промышленной разработки новых слюдоматериалов, является важнейшей задачей слюдяной промышленности.
Результаты исследований, основанные на современных достижениях теории обогащения полезных ископаемых, фундаментальных и глубоких физических исследованиях необходимы для расширения источников использования сырья природных слюд в производстве современных электроизоляционных материалов на базе слюды в виде: листовой слюды, слюдопластовых материалов дисперсной слюды.
В работе достигнуто совмещение проектирования слюдосодержащих материалов, подбор технологических ингредиентов, технология новых материалов, что в наибольшей мере позволяет учесть повышенные требования к ним и их эксплуатационным характеристикам. Разрабатываемые в диссертационной работе научные и научно-технические проблемы получения и применения новых видов функциональных слюдосодержащих
5 материалов, с учетом факторов нагружения их при эксплуатации, отвечают требованиям приоритетных направлений науки и техники, относятся к критическим технологиям Федерального уровня /«Новые приоритеты науки и техники», М.: 1996.- 27с./и являются частью темы «Изучение неоднородных диэлектрических материалов и сплавов», регистрационный № 018601205002. Цель работы. Исследование термических и поверхностных процессов в тонких водных пленок, находящихся в поле свежеобразованной поверхности кристаллов слюды для создания функциональных слюдосодержащих материалов с высоким уровнем технических свойств и повышенным ресурсом эксплуатации. В работе решаются следующие основные задачи:
Исследование фазовых переходов «кристаллизация-плавление» в тонких водных прослойках, заключенных между свежеобразованными поверхностями кристалла слюды.
Изучение низкотемпературного электретного эффекта в кристаллах слюды методом термостимулированной деполяризации (ТСД).
Исследование временных и температурных изменений диэлектрических свойств пленок воды на поверхности и в объеме кристаллов слюды. 4.Исследование термических свойств листовых и диспергированных слюд, развитие теории адсорбционных процессов, процессов диэлектрической релаксации в тонких водных пленках находящихся в поле поверхности кристалла слюды.
5.Исследование абсорбционной емкости и аккумуляторного эффекта в
кристаллах и диспергированных слюдах при температуре 293К.
6. Выяснение влияния внешнего электрического поля на диэлектрические
характеристики диспергированной слюды.
Научная новизна.
1. Впервые обнаружен температурный гистерезис в фазовом переходе «кристаллизация-плавление» в тонких водных пленках, находящихся в электрических полях свежеобразованной поверхности кристаллов слюды.
Показано,. что под действием поверхностных^электрических полей температура кристаллизации тонких пленок воды в расколе кристалла слюды уменьшается на 25 градусов с их утоныиением до 0,2 мкм и на 80-100 градусов для граничных водных слоев в природных кристаллах слюды.
Методом термостимулированной деполяризации (ТДС) впервые обнаружена полислойность тонких водных прослоек, заключенных между двумя электрически активными поверхностями кристалла мусковита. Проведен теоретический анализ и проанализированы диэлектрические свойства тонких водных пленок, находящихся в электрическом поле свежеобразованной поверхности слюды в температурном диапазоне 290-160К.
Произведен подробный анализ собственной проводимости мелкоразмерных слюд флогопита и мусковита, представляющих многослойную гетерогенную структуру в широком температурном интервале в процессе накопления и релаксации заряда. Установлено, что объемная электропроводность слюдопластов при температуре 293К обусловлена, главным образом, тепловым движением примесных и слабосвязанных ионов.
Выявлено, что увеличение абсорбционной емкости диспергированных слюд и слюдяных бумаг в постоянных и низкочастотных полях достигается за счет повышения концентрации воднопленочных включений и зависит от температуры, влажности окружающей среды.
Получены новые результаты низкочастотной действительной (є') и мнимой (s") составляющих диэлектрической проницаемости листовой, диспергированной и композитов из слюд в зависимости от температуры и влажности. Установлено, что низкочастотная диэлектрическая проницаемость в диспергированном флогопите при уменьшении фракции зерен слюдяных частиц от 70мкм до 15мкм значительно возрастает (более чем в 2 раза). Проведена экспериментальная и практическая реализации новых функциональных слюдосодержащих материалов на ООО « Нижнеудинская слюдянитовая
7 фабрика», полученных при использовании мелкоразмерного слюдяного сырья, представляющего собой однородную, .мелкую систему слюдяных частиц, поверхность которых электрически активна и способна образовывать сильные электрические связи между частицами, что обеспечивает высокий уровень физико-технических свойств с повышенными ресурсными эксплуатационными показателями
Методы исследований. В работе использованы следующие методы
исследований:
1. Метод диэлектрической спектроскопии, позволяющий измерять
низкочастотную действительную (є') и мнимую (є") составляющие
диэлектрической проницаемости ультратонкой слюды мусковита и
флогопита, в широком диапазоне температур и частот
2. Термический и электрический метод исследования объемной,
поверхностной электропроводности листовых и диспергированных
слюд.
3. Электрический метод исследования спектров токов
термостимулированный деполяризации [Т.С.Д.].
Практическая значимость. Полученные экспериментальные материалы позволили обосновать, апробировать и осуществить комплексный подход в разработке новых свойств слюдоматериалов при сохранении высокого уровня надежности и ресурса в условиях воздействия эксплуатационных нагрузок.
Физические свойства кристаллов слюды
Слюда является обычным породообразующим минералом многих изверженных, метаморфических и некоторых осадочных горных пород. Это один из наиболее распространенных минералов земной коры. Содержание ее, по литературным источникам, в составе верхних 16 км земной коры составляет 2-4%. Однако промышленные месторождения электротехнических слюд, особенно мусковита, встречаются исключительно редко. В обычных горных породах слюда встречается в виде мельчайших частичек, доходящих по величине в редких случаях до нескольких миллиметров Лишь в особо специфических условиях образуются крупные кристаллы, пригодные для электроизоляционных целей.
По химическому составу, слюды - алюминосиликаты щелочных и щелочено - земельных металлов. Основными элементами, входящими в состав мусковитов, флогопита и вермикулита являются кремний (Si), кислород (О), алюминий (А1), магний (Mg), калий (К) и водород (Н). Кроме основных элементов, в состав слюд входят еще более тридцати химических элементов, причем некоторые их них присутствуют в столь малых количествах, что их наличие может быть выявлено лишь наиболее чувствительными методами анализа. Одно из ценных свойств слюды - ее химическая стойкость. Высокой химической стойкостью обладает мусковит. Соляная кислота практически его не разлагает при нагревании до 300С. Серная кислота действует только при продолжительном нагревании. Щелочи мусковит почти не изменяют: с водой он дает очень слабую щелочную реакцию. После длительной выдержки в воде мусковит теряет блеск и эластичность и переходит в гидромусковит. Флогопит при воздействии кислот подвергается значительному разложению. Щелочи действуют слабее. В воде флогопит постепенно гидратируется. Кристаллы слюды являются наиболее уникальными представителями кристаллических тел. Для них характерно резко выраженное изменение физических свойств с направлением. Это обусловлено своеобразием кристаллической структуры: большой энергией связи частиц в пакете и значительно меньшей между пакетами по плоскости совершенной спайности. Следствием этой анизотропии сил межатомных связей является замечательная способность кристаллов слюды расщепляться на тонкие плоскопараллельные пластинки значительной площади, т.е. исключительно выраженная анизотропия механических свойств. Последняя приводит к сильной зависимости от направления в кристалле модулей упругости, прочности при различных видах деформации, твердости и других механических характеристик.
Мусковит прозрачен, имеет стеклянный блеск. Флогопиты, как правило, - темные слюды, просвечивающие лишь в тонких листах. Блеск флогопита изменяется от стеклянного до полуметаллического и жирного. Цвет и блеск слюды в практике слюдяной промышленности определяется визуально. Стеклянность блеска обусловлена адсорбацией на поверхности полимолекулярной пленки воды. Жирность блеска свидетельствует о наличии большого количества ультрамикроскопических неровностей и характеризует более высокую степень гидрации слюд, меньшую их термостойкость. Мусковит имеет коричневую окраску, при значительной толщине кристаллов приближается к розово-красному. Флогопит темно-зеленый разных оттенков, встречаются более светлые коричневые разновидности. Окраска слюды объясняется присутствием в ее составе красителей (хромофоров) в виде окислов железа, титана, марганца и других. Закись железа - FeO дает зеленовато-желтый оттенок, а окись железа Fe203 -красно-бурый. Плотность кристаллов мамского мусковита варьирует от 2,63 до 2.82г/см , кристаллов флогопита - от 2,68 до 2,89 г/см .На качество слюды большое влияние оказывают ; природные дефекты, встречающиеся в кристаллах: трещиновидность, зажимистость, клиновидность, ельчатость, минеральные загрязнения, газовоздушные включения и волнистость. [9] 1. Трещиновидность- самый распространенный дефект в слюде, который усложняет обработку слюды и влияет на выход готовой продукции. Трещины могут быть сквозные и не сквозные. Не сквозные трещины обычно распространяются только на часть толщины кристалла, после снятия, которой кристалл освобождается от этих трещин. Этот дефект частично влияет на качество готовой продукции. Сквозные же трещины проходят на всю толщину кристалла, они располагаются в кристалле слюды, как правило, без какой - либо закономерности в самых различных направлениях: иногда в виде ленточных трещин (ленточность слюд) следующих параллельно друг другу. Ленточность слюд - это проявление несовершенной спайности, выражающееся в системе параллельных трещин, плоскости которых расположены под очень крутым углом к спайности по базису. Направление ленточности всегда находится в закономерных соотношениях с направлением лучей фигуры удара и давления. В большинстве случаев ленточность направлена перпендикулярно большому лучу фигуры удара, однако наблюдаются направления ленточности и под углом 30, 60, 90 к большему лучу этой фигуры. Нередко кристаллы с ленточными трещинами имеют форму ромбов и треугольников. Ленточные трещины образуются в результате послерудной деформации и при добыче слюды взрывным методом. 2. Зажимистость- дефекты слюды, которые классифицируют на: линейные и чешуйчатые. Чешуйчатые дефекты обычно пронизывают весь кристалл и представляют прорастание его бесчисленным количество мелких кристаллов мусковита, направленные по отношению к плоскости совершенной спайности основного кристалла под самыми различными углами. При наличии такого дефекта повышается выход готовой продукции и трудоемкость обработки слюды. Линейные зажимы образуются в результате сил сжатия в кристалле и обычно их направленность согласованна с ленточной терщиноватостыо. Зажимистость обычно полностью обесценивает кристалл слюды. 3. Ельчатость, своеобразные полосы - рубцы, идущие от центра к периферии. Ельчатость может занимать часть кристалла или всю его площадь. Ельчатость развивается веерообразно под углом около 60 , этот дефект вызывается стесненным ростом кристалла. 4. Волнистость - дефект, который проявляется в виде неровностей поверхности пластинок - складчатости, гофрировки кристаллов до мелкой морщинистости, ориентированной в разных направлениях. Иногда волнистость бывает пологой формы или наоборот грубая волнистость, доходящая до горбин.
Обоснование метода измерений диэлектрической проницаемости и фазовых переходов пленочной воды
Для изучения свойств пленочной воды выбрали модельную систему: вода, находящаяся в расколе кристалла между двумя свежеобразованными поверхностями кристаллов слюды. Уменьшая расстояние между двумя подложками, можно перевести воду из объемного в пленочное состояние и изучить изменение свойств воды в процессе этого перехода, а также исследовать влияние активных поверхностей кристаллов слюды на свойства воды.
Слюдяные пластинки изготавливались из кристаллов мусковита или флогопита размерами 2 х 4см . Образцы не содержали видимых дефектов. На противоположные поверхности отобранных однотолщинных пластинок методом конденсации серебра в вакууме симметрично наносились полупрозрачные круглые серебряные электроды диаметром 0,2 см, небольшая часть которых имела более плотное напыление, куда припаивались индием тонкие медные проволочки для подключения конденсатора к измерительному прибору.
Для измерения толщины тонких прозрачных слоев жидкостей и самих слюдяных пластинок создана экспериментальная установка с помощью лазерного интерферометра. Пластинка слюды с полупрозрачными напыленными слоями серебра образует интерферометр Фабри-Перо.
В качестве источника света взято когерентное линейно-поляризованное излучение He-Ne лазера ЛГ-75-1 (Л«0,6328Мш). Лазерный луч фокусировался короткофокусным объективом (х90) на исследуемую плоскопараллельную слюдяную пластинку. Поскольку излучение падало на образец под разными углами, то на экране наблюдалась система концентрических окружностей (минимумы или, соответственно, максимумы интерференционной картины). Угловые положения интеренференционных колец фиксировались гониометром ГС-5 с точностью до I секунды. Толщина прозрачной пластинки зависит от оптической разности хода двух интерферирующих волн, отраженных от передней и задней поверхностей этой пластинки и определяется по методике, описанной в[38] с точностью 80 А. Толщина кристалла слюды определялась как среднее из 15-20 измерений для всевозможных угловых сочетаний различных интерференционных колец. Толщина жидкой пленки определялась по разности толщин пластинки с пленкой воды и без нее. Плоскопараллельность водной пленки контролировалась также интерференционным методом. Жидкая прослойка являлась однотолщинной под площадью электрода, если перемещение образца перпендикулярно лазерному лучу не приводило к смещению картины интерференционных полос.
После измерения толщины слюдяного образца, его слегка надкалывали, тщательно промытым щипальным ножом. С помощью иглы-шприца, заполненного дважды дистиллированной водой или заданным раствором, на кончик ножа вводилась маленькая капелька жидкости. Капиллярными силами она втягивалась внутрь раскола кристалла, образуя водный клин впереди ножа. При углублении ножа в кристалл водный клин заполнял область под электродами. После удаления кончика ножа образец с водной пленкой выдерживался 0,5часа при комнатной температуре для стабилизации пленки заданной толщины. Образцы с жидкой пленкой заклеивались с надщепленной стороны (через которую вводилась жидкость), путем погружения этой кромки в расплавленный пицеин. Толщина исследуемых образцов кристаллов слюды варьировала в пределах от 15 мкм до 100 мкм. Затем образец помещался в криостат, имеющий подводки от измерительных приборов для подключения к ним электродов образца и спая термопары.
"Холодный" спай термопары находился на исследуемом образце, а "горячий" в термостатированном, сосуде с термометром, позволяющим контролировать его температуру с точностью до 0,2. Термопара градуировалась по фазовым переходам в неполярных жидкостях циклогексан, четыреххлористый углерод, бензол, имеющих температуру плавления 279,5К; 251,1К; 278,5К соответственно и имела практически линейную характеристику. Образец с водной пленкой охлаждался парами жидкого азота, вводимого через входное отверстие криостата. Выдержка температуры на каждый градус составляла 5 минут, а вблизи фазовых переходов 10 минут. Систематическая погрешность за счет градиентов температуры в образце составляла не более 0,5-0,7 градуса. Температурные измерения емкости образцов фиксировались на частотах 10 Гц мостами «Е7-12» и «Тангенс -2М» (107Л/) точность измерения которых составляет ±0,01 пФ. Напряжение на исследуемом образце при измерениях ёмкости не превышало 2,9В. Кристалл слюды в общем случае можно представить в виде двухслойного конденсатора из силикатного и водного слоев.
Электропроводность идеального слоистого диэлектрика
Наиболее важной электрической характеристикой слюды является электропроводность Необходимым и достаточным условием возможности электропроводности у вещества является наличие в нем свободных носителей заряда[80,96].В диэлектриках все заряженные частицы взаимосвязаны, они не могут приобретать ускорения под действием электрического поля, составляющую скорости в направлении поля и перемещаться на значительные, по сравнению с молекулярными расстояния. Однако в действительности в любом диэлектрике имеются нарушения структуры, обуславливающие наличие подвижных носителей зарядов, способных перемещаться на небольшие расстояния под действием внешнего поля. Носители заряда находятся - в непрерывном. тепловом движении [76]. К каждому носителю заряда приложена сила во вполне определённом направлении. В электрическом поле с напряжённостью Е, на заряд q действует сила F, равная F = E-q и совпадающая по направлению с направлением произведения E-q Внешнее электрическое поле сообщает носителям заряда ускорение: F Е-а а = —= - -, (3.23) т т где т - эффективная масса носителя заряда. Однако в процессе хаотического теплового движения носители заряда периодически сталкиваются с атомами диэлектрика и теряют приращение скорости AV = r-a, приобретённое под воздействием поля за время т. свободного пробега между двумя следующими друг за другом столкновениями [82]. При наличии такого поля на каждый носитель заряда будет действовать сила F = E-q, создающая упорядоченную составляющую Vg скорости носителя (скорость дрейфа или «электрическая» скорость), равная: v =ar_=qEj_ (3.24) g 2 Ъп Отношение дрейфовой скорости носителя заряда к вызывающей эту скорость напряжённости электрического поля U = X . (3.25) Е есть подвижность носителя. Для связанных зарядов U = 0, а для свободных значение U отлично от нуля, причём для положительных носителей U положительно, а для отрицательных - отрицательно, так что знак U совпадает со знаком q [66]. В зависимости от структуры диэлектрика носители заряда могут иметь разную природу и происхождение. В ионных кристаллах - это точечные дефекты кристаллической решётки - вакансии и междоузельные ионы. В твёрдых диэлектриках - это электроны в зоне проводимости и дырки в заполненной зоне. Если-концентрация носителей заряда і-го типа в точке г равна п;(г), подвижность этих носителей U;, а заряд q{, то плотность тока проводимости в этой точке выражается соотношением и(г) = Т.Пі(г)я,иі-Е(г), (3.26) где суммирование проводится по всем i-ым типам носителей. Удельная проводимость диэлектрика в точке г: Е[г) ; При отсутствии электрического поля соблюдается правило электронейтральности, то есть суммарный заряд всех заряженных дефектов диэлектрика в каждой точке г равен нулю. Кроме носителей заряда - подвижных заряженных дефектов - в диэлектрике могут существовать и неподвижные заряженные дефекты. Обозначая концентрацию захваченных носителей і-го типа через пн, для исходного, электронейтрального, состояния диэлектрика имеем X«;(rk.+S (r)g,=0. (3.28)
В результате инжекции зарядов в диэлектрике, а также перемещении на макроскопические расстояния и закрепление на ловушках, изменяется концентрация свободных и захваченных носителей: /i,(rWM. n.(r) n.(r) (3.29) В результате электронейтральность нарушается и в диэлектрике появляется объёмный заряд: / W=EhW-"/0Wk + SkW-«!Wk о, (з.зо) і і который определяет распределение электрического поля в диэлектрике в соответствии с уравнением Пуассона. Ограничиваясь рассмотрением одномерного случая (все величины зависят от координаты х), получаем: &У _ P „„„дЕ_ p (3 31) или дх єє0 дх єє0 В процессе прохождения электрического тока объёмный заряд с течением времени меняется, то есть изменяется во времени и напряжённость электрического поля Е(г, Г). В связи с этим кроме тока проводимости jnp=y(r,r)-Е(г,т) необходимо учитывать и ток смещения, вызванный смещение зарядов: 8D дЕ dt dt Тогда полный ток равен: дЕ J = Jv+Ja.=r-E + ee0 — . (3.33) В одномерном случае плотность полного тока зависит от времени и не зависит от координаты, что определяется условием сохранения заряда. Это условие может быть записано в виде — = —. Дифференцируя по dt дх координате х с учётом уравнения Пуассона и непрерывности заряда, получаем: dj _dJnP , д ( dE)_djnp dp єє0 дх dt + Е = 0, (3.34) \ дх дх дх то есть полный ток действительно не зависит от координаты.
Итак, прохождение тока через диэлектрик характеризуется совокупностью взаимосвязанных уравнений: уравнением полного тока, включающего сумму тока проводимости и тока смещения; уравнением непрерывности заряда со временем за счёт тока проводимости; уравнением Пуассона, выражающим распределения поля в диэлектрике при наличии объёмного заряда. [67] 3.3.Экспериментальное исследование удельной объемной и удельной поверхностной электропроводности кристаллов мусковита и флогопита. Измерительная ячейка и особенности методики исследования. В кристаллах слюды встречается большое число водных прослоек и газоводных линз, что приводит к их неоднородности. Водные прослойки оказывают влияние на физико-химические свойства и прежде всего на электропроводность и абсорбцию электрических зарядов [54]. Исследования выполнялись с помощью специально сконструированной криогенной вакуумной камеры с измерительной ячейкой в которую помещался исследуемый образец( рис.2.4).
В камере с измерительной ячейкой поддерживался вакуум порядка КГМО"4 тор. Образцы представляли собой пластинки слюды диаметром ) = 5-10-2 -6- 10-2м, толщиной 30-10 6-50-10 6м с напылёнными серебряными слоями диаметром ) = 20-10-3 и 22-10"3 м. С последними контактировали массивные металлические электроды ячейки, смонтированные на тефлоновой изоляции. Измерение токов осуществлялось электрометром ЭМ-1 с предельной чувствительностью 10"14 А, при напряжениях на образцах 100 В.
Теоретический анализ распределения электрического поля в гетерогенных структурах
Так как кристалл слюды является неоднородным диэлектриком, то для исследования неоднородных сред можно рассмотреть пространство между электродами плоского конденсатора, которое заполнено двумя слоями разных диэлектриков параллельными электродам. Толщины, диэлектрические проницаемости и удельные проводимости первого и второго слоев обозначим соответственно d. и d7, Є. и у. и у . Будем считать, что расстояние между электродами конденсатора велико по сравнению с линейными размерами его пластин. Также будем полагать, что сопротивление подводящих проводов равно нулю; тогда нестационарный процесс зарядки, происходящий при накоплении заряда на электродах, будет исключён. Каждый электрод при этом зарядится мгновенно до плотностей заряда + ТП и СТ . В начальный момент поле в слоях 116 распределится соответственно их диэлектрическим проницаемостям. Т. е. в начальный момент напряжённости полей в первом и во втором слое связаны следующим соотношением: El=i (4.3) Е2 БХ Но слои также обладают различными проводимостями, поэтому распределение поля в них сразу начнёт меняться. В стационарном состоянии поле будет распределено иначе. [63]. Плотности токов проводимости, согласно закону Ома, пропорциональны напряжённостям электрического поля: / = у Е и / = у Е (4.4) J\a 11 J2a 2 2 v Предположим, что , но у у , тогда плотность тока проводимости во втором слое будет больше j из-за, во-первых, большей проводимости второй среды, а, во-вторых, из-за того, что Е Е, согласно (1.1). Вследствие того, что / / , на границе 2 1 J2a J\a раздела слоев начнёт накапливаться заряд положительного знака Появление свободного заряда на границе раздела вызовет изменение поля в слоях: поле во втором слое начнёт уменьшаться, а в первом -увеличиваться. Соответственно, ток проводимости во втором слоев также начнёт уменьшаться, а в первом - увеличиваться, согласно (4.2). Стационарное состояние установится тогда, когда / =j . При этом накапливание свободного заряда на границе раздела прекратится и в слоях установится некоторое распределение полей. В силу j =j распределение поля в стационарном состоянии будет определяться следующим соотношением: YF = у Е , \ст - У2 (4.5) I \ст 2 2ст Егст У\
Таким образом, в стационарном состоянии поле в первом слое увеличится по сравнению с начальным состоянием, а во втором -уменьшится. Тангенс угла наклона прямой на графике является мерой напряжённости поля в слое. Из графика видно, что в первом слое при переходе от начального состояния к- стационарному наклон (напряжённость поля) увеличивается, а во втором слое - уменьшается. Чтобы определить зависимость напряжённости поля и тока проводимости в каждом слое от времени, воспользуемся условием непрерывности полного тока. Заметим, что переменное электрическое поле приводит к появлению в данном пространстве тока смещения (ёмкостного тока), равного ; =_. Ёмкостный ток существует в обоих слоях до тех пор, пока не установится стационарное состояние. Когда напряжённости поля перестанут изменяться, ток смещения в каждом слое будет равен нулю. [63,64]. Полный ток равен сумме тока проводимости и тока смещения.
Таким образом, процесс зарядки двухслойного конденсатора с проводимостью сильно отличается от процесса зарядки однослойного конденсатора с проводимостью. Главным отличием является накопление свободного заряда на поверхности раздела слоев при зарядке двухслойного конденсатора.
Исследование закономерностей поляризационных эффектов при нагревании и комнатной температуре в слюдяном сырье. В таблице 4.2 представлены результаты температурных измерений є и tg8 кристаллов мусковита различных месторождений. Диэлектрическая проницаемость всех исследуемых кристаллов изменялась от 6,61 до 7,08, а для отдельных жил - 6,85-6,94. Причём, наименьшие значения диэлектрической проницаемости имеет Ковдорский нагревостойкий и Ковдорский ненагревостойкий флогопиты. Диэлектрическая проницаемость алданских флогопитов изменяется незначительно (5,88-5,96); флогопит рудника Тимптон обладает несколько большим значением диэлектрической проницаемости (2 %). Наименьшим значением тангенса угла диэлектрических потерь обладают флогопиты рудников Эмельджак и Эльконка - (3-5)-10"3, наибольшим - флогопиты рудников Ковдор и Тимптон-(1-8)-10-2. [127,147].
В направлении, нормальном к спайности, tg8 для мусковитов на высоких частотах (104-108 Гц) имеет минимальную величину 10"4, повышаясь примерно на один порядок при технической частоте. В направлении, параллельном к спайности, диэлектрические потери значительно выше[128,129].
Диэлектрические потери в кристаллах мусковита на высоких частотах обусловлены, по-видимому, наличием структурных дефектов. На низких частотах потери возрастают за счёт рассеяния электрической энергии в расслоениях кристалла, покрытых адсорбированными плёнками воды
