Диэлектрические измерения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Диэлектрические измерения - измерения статич. и динамич. диэлектрич. проницаемости веществ

и связанных с нею величин, напр. тангенса угла диэлектрических потерь

(см. Диэлектрики ).Диапазон значений , доступных для определения: 10³-10⁵ для

и 10^-5- 10⁵ для

. Типичные точности измерений ~1% для

и ~10% для

. Д. и. основаны на явлениях взаимодействия эл--магн. поля с электрич. дипольными моментами частиц вещества и являются одним из важнейших методов исследования атомного строения твёрдых тел, жидкостей и газов.

Методы Д. и. многообразны: они зависят от агрегатного состояния вещества, от абс. величин и симметрийных свойств

, от частоты

и интенсивности эл--магн. поля. Д. и. охватывают широкий диапазон частот от инфранизких (10^-5 Гц) до

~10¹⁵ Гц (рис. 1), где они смыкаются с оптич. измерениями. Начиная с

10¹¹ Гц наравне с комплексной

оперируют комплексным показателем преломления n=n'+ik (k - показатель поглощения). Между

и п для немагн. материалов существует однозначная связь:

В основе большинства методов Д. и. при

10⁸ Гц лежит процесс зарядки и разрядки измерит. конденсатора, заполненного исследуемым веществом. Измеряя ёмкость С и проводимость 1/R конденсатора, рассчитывают

Здесь d - расстояние между обкладками конденсатора, S - площадь каждой из них. На инфранизких частотах

С определяют, измеряя разрядный ток I конденсатора, выдержанного под напряжением U:

a 1/R рассчитывают по скорости спадания I. На частотах до

~10⁷ Гц С и 1/R измеряют с помощью мостовых схем (рис. 2). Начиная с v~10⁵ Гц и вплоть до 10⁸ Гц для определения С используют колебат. контуры, настраивая контур в резонанс с частотой поля.

Рис. 1. Методы диэлектрических измерений. 1 - разряд конденсатора, 2 - мостовые схемы, 3-LC-контуры, 4 - полноводные линии, 5- ИК-спектроскопия.

Рис. 2. Мост Шеринга; при условии баланса:

;

, где C₀ - ёмкость пустого конденсатора.

В диапазоне метровых и сантиметровых волн (

~ ~10⁸-10¹¹ Гц) применяют волноводные методы. Исследуемый образец помещают в разрыв центрального проводника коаксиального кабеля или внутрь волновода и регистрируют зондом связанное с этим изменение структуры поля в линии. Обычно образец располагают на задней стенке закороченного отрезка линии (рис. 3); измеряя коэф. бегущей волны K_Б и расстояние х от передней грани образца до первого узла стоячей волны, определяют

из соотношений:

Здесь

- длина волны в свободном пространстве, d - толщина образца,

- длина волны в волноводе,

- граничная длина волны волновода.

Начиная с

~10¹¹ Гц Д. и. проводят в свободном пространстве; измеряют коэф. пропускания T эл--магн. волн плоскопараллельной пластинкой вещества (рис. 4) или коэф. отражения R от бесконечного слоя, а также соответствующие им фазовые сдвиги волны в образце

. По Френеля формулам рассчитывают n и k:

Рис. 3. Волноводная измерительная линия. 1- исследуемый образец, 2 - измерительный зонд, 3, 4 - эпюры стоячей волны без образца и с образцом.

Рис. 4. Простейшая квазиоптическая схема "на пропускание" для частот 10¹¹ - 10¹² Гц.

Рис. 5. Схема куметра;

, где Q₀, Q₁ - добротности пустого и нагруженного контура, C₀, С₁ - емкости пустого и нагруженного конденсатора.

В ИК-диапазоне (v>10¹¹ Гц) измерения T, R,

проводят с помощью монохроматорных и фурье-спектрометров, причём часто ограничиваются лишь измерением зависимости R(v), получая затем

из Крамерса - Кронига соотношения:

В субмиллиметровом диапазоне (

~10¹¹-10¹² Гц) наиб. эффективны т. н. ЛОВ-спектрометры, в к-рых генераторами служат перестраиваемые по частоте монохроматич. генераторы - лампы, обратной волны (ЛОВ).

Наибольшей чувствительностью к

и точностью определения

обладают резонансные методы, где измеряются изменения добротности Q и собств. частоты v₀резонатора при помещении в него исследуемого образца. Резонаторами служат LC-контуры (v~l0⁵-10⁸ Гц, рис. 5), объёмные резонаторы (v~10⁸-10¹¹ Гц, рис. 6) и начиная с v~l0¹¹ Гц - оптические резонаторы. При больших

и малых

резонаторами могут служить сами образцы (метод диэлектрич. резонатора). Частотная зависимость коэф. пропускания T(v) плоскопараллельной диэлектрич. пластинки имеет максимумы в результате интерференции волн внутри образца. По расстоянию между максимумами, по их положению на шкале частот, по их величинам и полуширине рассчитывают

Особую группу составляют мультичастотные методы, основанные на изучении отклика исследуемого образца на сигнал с широким спектром (импульсные или шумовые зондирующие поля). Зависимости

рассчитываются через фурье-преобразование временной зависимости отклика. Гл. достоинство - оперативность получения картины поведения

в широком участке спектра. Напр., при использовании коаксиальной линии и импульсного сигнала с фронтом 50 нс одновременно получают информацию об

на частотах от 10⁵ до 10⁹ Гц. Пример мультичастотного метода - Фурье спектроскопия ИК-диапазона.

Рис. 6. Коаксиальный резонатор с торцевым зазором: 1 - исследуемый образец в обкладках конденсатора, 2, 3 - петли связи, 4 - настроечный микрометрический

Для Д. и. жидкостей применяются также методы, основанные на создании слоя перем. толщины (в конденсаторе, волноводной линии, резонаторе), и т. н. метод эллипсоида:

определяют по величине вращающего момента M, действующего со сторовинт;

где v₀ и v₁ - резонансные частоты пустого и заполненного конденсатора, В-коэффициент, определяемый геометрией резонатора.

Д. и. анизотропных сред сложнее. В низкосимметричных кристаллах, напр., необходимо учитывать тензорный характер

(гл. оси диэлектрич. эллипсоидов

могут не совпадать как между собой, так и с кристаллографич. осями, возможен поворот этих осей в зависимости от внеш. воздействий - температуры, давления, v).

Д. и. в сильных полях имеют целью исследование зависимости

от напряжённости внеш. электрич. поля E. К образцу обычно либо прикладывают сильное смещающее поле совместно со слабым зондирующим сигналом, либо пользуются методом генерации гармоник (см. Нелинейная оптика).

Информацию об

можно получить, исследуя спектр флуктуации поляризации вещества в измерит. конденсаторе. Найквиста формула связывает параметры конденсатора с флуктуационным током. Возможно определение

и с помощью Черенкова - Вавилова, излучения. При этом рассчитывается по измеренным скорости движения заряж. частиц в исследуемом веществе и углу между направлениями их движения и распространения черенковского излучения.

Литература по диэлектрическим измерениям

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.