WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
Физический факультет Казанского государственного университета Гусев Ю.А.

ОСНОВЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Учебное пособие Казань 2008 Предисловие Метод диэлектрических измерений впервые в Казанском государственном университете был применен Непримеровым Н.Н. для определения диэлектрической постоянной парамагнитных солей (1954). Далее сотрудник кафедры радиоэлектроники Седых Н.В. применял данный метод для исследования растительных белков (1960). В дальнейшем методика измерения диэлектрических параметров в широком частотном диапазоне от 50Гц до 37ГГц развивались научным сотрудником кафедры радиоэлектроники Гусевым Ю.А., в результате чего впервые им была обнаружена область релаксации аминокислот в водных растворах (1975).

Последующие работы выпускников кафедры радиоэлектроники лаборатории диэлектрической спектроскопии по изучению диэлектрической релаксации связанной воды в дисперсных системах (Гусев А.А., 1979), водно-спиртовых смесей (Фельдман Ю.Д., 1982), систем целлюлоза-вода (Зуев Ю.Ф., 1985), молекулярных кристаллов (Гончаров В.А., 1987), нефтяных дисперсных систем (Сараев Д.В., 2006), водных растворов изопропилового спирта (Лунев И.В., 2007) были проведены на временных диэлектрических спектрометрах, работающих на принципиально иных основах по сравнению с предыдущей экспериментальной техникой.

Поскольку все большее количество ученых различных областей физики, химии, биологии и др. применяют для исследования своих объектов методы диэлектрической спектроскопии, возникла необходимость подготовить данное учебное пособие. Для его создания были использованы работы Ахадова Я.Ю. («Диэлектрические параметры чистых жидкостей», 1999), работы, опубликованные в сборнике F. Kremer, A. Schonhals, “Broadband Dielectric Spectroscopy”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003, оригинальные работы автора и его учеников.

Данное учебное пособие может быть полезно студентам старших курсов, занимающимся изучением структуры и свойств вещества, аспирантам, научным сотрудникам, работающим в областях физики, химии, биологии, медицины, геологии, и другим.

Автор благодарен младшему научному сотруднику кафедры радиоэлектроники Васильевой М.А. за помощь и критику при подготовке данной работы.

Оглавление Предисловие..............................................................................……………… Введение....................................................................................……………… Принятые обозначения..........................................................……………….. Глава 1. Теория диэлектрической поляризации в статическом электрическом поле 1.1. Неполярные и полярные диэлектрики.................……………… 1.2. Поляризация диэлектриков..................................………………. 1.3. Феноменологические (макроскопические) характеристики диэлектриков........................................................ ……………… 1.3.1. Среднее макроскопическое поле в диэлектрике……………….. 1.3.2. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость……………………………………………..…… 1.4. Поляризуемость......................................................………………. 1.4.1. Электронная поляризация..................................……………… 1.4.2. Атомная поляризация.........................................………………. 1.4.3. Ориентационная поляризация...........................………………. 1.5. Локальное поле Лоренца......................................……………… 1.6. Формула Клаузиуса-Мосотти для неполярных жидкостей и газов 1.7. Уравнение Дебая................................................... ……………… 1.8. Опытное определение поляризуемости и дипольного момента молекулы…………………………………………………………. 1.9. Локальное поле Онзагера.................................... ……………… 1.10. Теория Кирквуда-Фрёлиха.................................………………. 1.11. Дальнейшее развитие теории диэлектрической поляризации Глава 2. Релаксационные свойства жидких диэлектриков 2.1. Дипольная релаксация......................................... ……………… 2.2. Дисперсионные уравнения..................................………………. 2.3. Линейные соотношения по Дебаю..................... ……………… 2.4. Макроскопическое и микроскопическое времена релаксации... 2.5. Распределение времен релаксации…………………………….. 2.6. Функция распределения Фрёлиха…………..………………….. 2.7. Распределение Коула-Коула…………………………………….. 2.8. Распределение Девидсона-Коула………………………………. 2.9. Уравнение Фаусса-Кирквуда …………………........................... 2.10. Определение времени релаксации по данным одночастотных измерений.......................................................... ……………….. 2.11. Диэлектрическая релаксация с двумя временами релаксации………………………………………………………. 2.12. Связь между диэлектрической релаксацией, вязкостью и структурой жидкости........................................……………….. 2.13. Диэлектрическая релаксация и термодинамические функции Глава 3. Методы измерения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь 3.1. Резонансные методы.............................................. ……………….. 3.1.1. Метод биений....................................................……………….. 3.1.2. Метод расстройки контуров.............................……………….. 3.1.3. Метод куметра...........................................…………………….. 3.1.4. Методы измерения в объемном резонаторе... ……………….. 3.2. Коаксиальные методы........................................ ……………….. 3.3. Волноводные методы......................................... ……………….. 3.3.1. Метод короткого замыкания........................... ……………….. 3.3.2. Балансные методы........................................... ……………….. 3.3.3. Диапазон частот 250 3000 МГц.................. ………………. 3.3.4. Измерения диэлектрической проницаемости на частотах:



9584,6 МГц, 163,93 МГц, 37037,0 МГц …………………….. 3.4. Методы, использующие волны в свободном пространстве……… 3.5. Широкодиапазонные и высокоточные методы измерения диэлектрической проницаемости..........................……………… 3.6. Временная спектроскопия жидкостей....................…………….... 3.6.1. Метод одного отражения (толстого образца) ……………...... 3.6.2. Метод тонкого образца…………….............…………….......... 3.6.3. Метод сосредоточенной емкости.............…………….............. Заключение..............................................................................………………. Литература…………………………………………………………………… Введение Исследование диэлектрических свойств жидких и твердых диэлектриков - одна из наиболее фундаментальных и сложных проблем науки, имеющая большое теоретическое и практическое значение. В настоящее время центральное место в работах, посвященных изучению межмолекулярных взаимодействий в жидкостях и твердых телах, занимают исследования молекулярной структуры жидкости и динамики ее перестройки в ходе теплового движения. Для решения этих задач используются современные физические и физико-химические методы исследования: дифракционные и термодинамические методы, диэлектрическая, акустическая и релеевская спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, спектроскопия ядерного резонанса и т. д.

Среди этих методов важное место принадлежит диэлектрической спектроскопии, получившей в последнее десятилетие значительное теоретическое и экспериментальное развитие. Исследования диэлектрических свойств жидких систем позволяют получать обширную информацию об их молекулярной структуре, межмолекулярных взаимодействиях, кинетике и механизмах молекулярных процессов. Решение этих задач необходимо для понимания и, следовательно, управления химическими и технологическими процессами, подавляющее большинство которых протекает в жидких фазах. Знание диэлектрических свойств жидкостей необходимо для разработки ряда радиотехнических систем, развития методов анализа и контроля химического состава и решения многих практических проблем промышленности и технологии.

Диэлектрические параметры жидкостей представляют интерес для широкого круга специалистов, работающих в различных областях физики, химии, биологии, медицины. Этим объясняется большое число опубликованных работ, в которых излагаются сведения о диэлектрической проницаемости, диэлектрических потерях и релаксационных явлениях в чистых жидкостях и растворах в широком диапазоне частот и температур.

Возможности современной компьютерной техники позволили автоматизировать проведение эксперимента, использовать новые методы измерения диэлектрических параметров, повысить точность измерения и разработать систему оценки достоверности данных о диэлектрических свойствах веществ.

Развитие экспериментальных методов измерения диэлектрических свойств дали возможность расширить перечень объектов исследования, диапазон частот и интервал температур.

Учебное пособие включает в себя теоретическую часть, методы измерения диэлектрических параметров и оценки погрешностей измерения. Оно предназначено для студентов, аспирантов, научных работников, физиков, химиков, биологов и инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов и лабораторий.

Учебное пособие состоит из трех глав. В первых двух главах, носящих вводный характер, приведены основные понятия теории диэлектриков. Рассмотрены основные теоретические соотношения, применяемые при описании и анализе равновесных и динамических свойств индивидуальных жидкостей. Описаны макроскопические величины, характеризующие диэлектрические свойства жидкостей и их взаимосвязь с молекулярными параметрами. Рассмотрены релаксационные процессы и их связь с термодинамическими свойствами.

В третьей главе описываются основные методы измерения диэлектрической проницаемости и потерь, приводятся погрешности эксперимента, даются практические советы. Уделено особое внимание обработке экспериментальных данных и оценке ошибки эксперимента.

Принятые обозначения С - электроемкость С1, С2 - вклад первого и второго релаксационных процессов в диэлектрической релаксации с - скорость света D - электростатическая индукция (смещение) E - напряженность среднемакроскопического электрического поля в диэлектрике E0 - напряженность внешнего электрического поля e - элементарный электрический заряд F - напряженность локального электрического поля F - изменение свободной энергии активации диэлектрической релаксации F1, F2, F3 - изменение свободной энергии активации диэлектрической релаксации для первой, второй и третьей областей поглощения fm - предельная частота, соответствующая максимуму поглощения fm1, fm2, fm3 - предельная частота, соответствующая первой, второй и третьей областям поглощения G -проводимость CAS - Chemical Abstracts Servis (регистрационный номер реферативного журнала Американского химического общества) g - структурный фактор Кирквуда H - напряженность магнитного поля H - теплота активации диэлектрической релаксации H1, H2, H3 - теплота активации диэлектрической релаксации для первой, второй и третьей областей поглощения h - постоянная Планка I - ток k - постоянная Больцмана к - коэффициент поглощения (/) L - индуктивность M - молярная масса m - магнитный момент N - число частиц в единице объема NA - число Авогадро n - показатель преломления n*=n(1-jk) - комплексный показатель преломления P -поляризация (электрический дипольный момент единицы объема) Pe - электронная поляризация Pa - атомная поляризация Po - ориентационная поляризация PM - молекулярная поляризация PR - молекулярная рефракция Q - добротность Q - электрический заряд R - газовая постоянная r - коэффициент отражения S - энтропия активации диэлектрической релаксации S1, S2, S3 - энтропия активации диэлектрической релаксации для первой, второй, и третьей областей поглощения Тпл - температура плавления (С°) Тот - температура замерзания Ткип - температура кипения V - объем z - полное внутреннее сопротивление zc - волновое сопротивление z0 - волновое сопротивление вакуума a -поляризуемость ae - электронная поляризуемость aa - атомная поляризуемость ad - деформационная поляризуемость a* - комплексная поляризуемость a' - действительная часть комплексной поляризуемости a" - мнимая часть поляризуемости d - коэффициент поглощения - коэффициент распределения времен релаксации по Коулу-Коулу - параметр распределения времен релаксации по Коулу-Коулу - фазовая постоянная 0 - коэффициент объемного расширения =+j - комплексная постоянная - угол потерь tg="/' - тангенс угла потерь 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума - предельная низкочастотная диэлектрическая проницаемость 1, 2, 3 - предельная низкочастотная диэлектрическая проницаемость первой, второй и третьей областей поглощения - предельная низкочастотная диэлектрическая проницаемость 1, 2, 3 – предельная высокочастотная диэлектрическая проницаемость для первой, второй и третьей областей поглощения *='-j" - комплексная диэлектрическая проницаемость ' - действительная часть диэлектрической проницаемости " - мнимая часть диэлектрической проницаемости (диэлектрические потери) '1, '2, '3 - действительная часть диэлектрической проницаемости в первой, второй и третьей областях поглощения "1, "2, "3 - диэлектрические потери в первой, второй и третьей областях поглощения - вязкость c - критическая длина волны o - длина волны в волноводе d - длина волны в диэлектрике - длина волны в свободном пространстве m - предельная длина волны, соответствующая максимуму диэлектрических потерь 0 - дипольный момент свободной молекулы ж - дипольный момент молекулы в жидкости - макроскопическое время релаксации 1, 2, 3 - время релаксации в первой, второй и третьей областях поглощения - молекулярное время релаксации - плотность - диэлектрическая восприимчивость - круговая частота m - предельная круговая частота, соответствующая максимуму диэлектрических потерь ' - поверхностная плотность связанных зарядов - поверхностная плотность свободных зарядов ГЛАВА ТЕОРИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ В СТАТИЧЕСКОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Результаты теоретических и экспериментальных работ, посвященных диэлектрическим свойствам диэлектриков, обобщены в нескольких книгах и монографиях [5—21]. С целью раскрытия физического смысла приведенных в книге экспериментальных и расчетных параметров в этой главе кратко рассмотрены основные уравнения, описывающие диэлектрические свойства жидкостей. В ограниченном объеме теоретической части невозможно подробно описать все физические и математические допущения, лежащие в основе каждого уравнения. Эти вопросы подробно рассмотрены в литературе.

1.1. Неполярные и полярные диэлектрики Электрический диполь — это пара зарядов, равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку и расположенных близко друг к другу.

Дипольный момент — произведение величины одного заряда на расстояние между ними:

r r = q d (1.1) Дипольный момент представляется вектором, направленным от отрицательного заряда к положительному. Дипольные моменты возникают при асимметрии положительных и отрицательных зарядов в системе. Положительные заряды связаны с ядрами атомов, т.е. они локализованы. Изменения плотности положительных зарядов вызываются структурными трансформациями молекул (локальные движения, вращение групп и т.д.). Изменения плотности отрицательных зарядов в системе определяются электронами, которые делокализованы. Степень делокализации зависит от химической структуры.

Система из положительных и отрицательных зарядов, образуемая молекулой, может рассматриваться как единый диполь или как система диполей, ориентированных вдоль молекулярных осей или групп. Векторная сумма дипольных моментов этой системы образует молекулярный дипольный момент N r r. (1.2) M = i i Значения дипольных моментов принято выражать в следующих единицах: 10-электростатических единиц заряда на сантиметр. Эта единица называется "дебай" и обозначается "Д".

Все диэлектрики в зависимости от строения молекул можно разделить на две большие группы - полярные и неполярные. В неполярных диэлектриках центры положительных и отрицательных зарядов молекулы совпадают и ее дипольный момент равен нулю. К неполярным молекулам относятся, например, СН4, ССl4, С6Н6.

В полярных диэлектриках молекулы представляют собой диполи, обладающие электрическим моментом, возникающим за счет смещения электрических зарядов из положения равновесия в свободных атомах в результате химической связи (Н2О, НС1, NН3 и т.д.). Молекулы-диполи полярного диэлектрика участвуют в тепловом движении.

В результате теплового движения электрические моменты диполей полярного диэлектрика хаотически распределены по направлениям, и векторная сумма дипольных моментов равна нулю.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.