к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Диэлектрические измерения
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: 10^3-10^5 для и 10^-5- 10^5 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 ~10^15 Гц (рис. 1), где они смыкаются с оптич. измерениями. Начиная с 10^11 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 10^8 Гц лежит процесс зарядки и разрядки измерит. конденсатора, заполненного исследуемым веществом. Измеряя ёмкость С и проводимость 1/R конденсатора, рассчитывают и :

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~10^7 Гц С и 1/R измеряют с помощью мостовых схем (рис. 2). Начиная с v~10^5 Гц и вплоть до 10^8 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 C_0 - ёмкость пустого конденсатора.

В диапазоне метровых и сантиметровых волн (~ ~10^8-10^11 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 и из соотношений:

Здесь - длина волны в свободном пространстве, d - толщина образца, - длина волны в волноводе, - граничная длина волны волновода.

Начиная с~10^11 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 10^11 - 10^12 Гц.

Рис. 5. Схема куметра; , где Q_0, Q_1 - добротности пустого и нагруженного контура, C_0, С_1 - емкости пустого и нагруженного конденсатора. 

В ИК-диапазоне (v>10^11 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 (~10^11-10^12 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 v_0 резонатора при помещении в него исследуемого образца. Резонаторами служат LC-контуры (v~l0^5-10^8 Гц, рис. 5), объёмные резонаторы (v~10^8-10^11 Гц, рис. 6) и начиная с v~l0^11 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 и .

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 10^5 до 10^9 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 v_0 и v_1 - 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 

1. Брандт А. А., Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах, M., 1963; Длинноволновая инфракрасная спектроскопия. Сб. ст., пер. с англ., M., 1966; Эме Ф., Диэлектрические измерения, пер. с нем., M., 1967; Надь Ш. В., Диэлектрометрия, пер. с венг., M., 1976.

А. А. Волков, Г. В. Козлов.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ