Диэлектрические свойства увлажненных природных и искусственных дисперсных сред при криогенных температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Филиппова, Татьяна Георгиевна

• Филиппова, Татьяна Георгиевна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Филиппова, Татьяна Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Введение.

1.1. Основные положения теории диэлектриков для дисперсных систем.

1.2. Структура и диэлектрические свойства воды и льда.

1.3. Диэлектрические свойства грунтов и горных пород.

Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА II. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

Введение.

2.1. Низкочастотные измерения относительной диэлектрической проницаемости.

2.2. Высокочастотные измерения в резонаторах и свободном пространстве.

2.3. Подготовка образцов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диэлектрические свойства увлажненных природных и искусственных дисперсных сред при криогенных температурах»

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

Выводы

69

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Филиппова, Татьяна Георгиевна

Основные результаты, полученные в диссертации состоят в следующем: Впервые выполнены измерения диэлектрических параметров увлажненного песка одного состава в широком диапазоне частот, низких (120 Гц - 100 кГц) и сверхвысоких (5-8 ГГц), в области температур +20 - -180°С;

- впервые на основе исследований диэлектрических характеристик ДС, увлажненных несколькими полярными жидкостями (Н2О, В20, этиловый спирт и их смеси), установлена определяющая роль воды в формировании эффективной диэлектрической проницаемости дисперсных сред; впервые выполнены одновременные радиофизические и калориметрические измерения увлажненных ДС в цикле охлаждение -нагревание;

- выявлены особенности диэлектрических свойств увлажненных ДС при изменении температуры, в числе которых - скачок величины действительной части комплексной диэлектрической проницаемости вблизи температуры фазового перехода и последующее ее резкое уменьшение, сопровождающееся спадом мнимой части, причем тангенс угла диэлектрических потерь в этой области близок к единице. Близкие результаты получены при низкочастотных исследованиях модельной среды, когда в ней достигается порог перколяции;

- при исследованиях увлажненных ДС резонаторным методом обнаружено ранее неизвестное явление - появление в спектрах пропускания вблизи низшей моды дополнительных областей пропускания. Подобное явление также наблюдалось при заполнении резонатора модельной средой в виде смеси сухого песка и металлических частиц, что указывает на перколяционный характер данного эффекта в обоих случаях;

- предложено новое объяснение особенностей электромагнитного поведения дисперсных сред на низких и сверхвысоких частотах, в основе которого лежит перколяционно-кластерная модель среды;

- показано, что квазистационарное электрическое поле не влияет на СВЧ-свойства увлажненных ДС на основе песка, в то же время установлен гистерезис диэлектрической проницаемости данной среды при измерениях на частоте 1 кГц;

- показано, что резонаторный метод измерений электромагнитных характеристик ДС дает дополнительную информацию об их структуре и свойствах, которая не может быть получена иным путем.

Заключение

В данном исследовании еще раз подтверждаются особые физические свойства воды, которые проявляются в криогенных ДС. Эти свойства обнаруживаются при радиофизических измерениях ДС в широком интервале температур от 0° до -200°С. Они связываются с вымерзанием свободной воды, особенностями фазовых превращений в пленках связанной воды и ее кластеров, а также влиянием фазовых переходов на свойства поверхностных слоев частиц среды. Наличие проводящих пленок воды приводит к образованию кластеров, которые в случае перколяции существенным образом влияют на электромагнитные свойства ДС.

В настоящее время отсутствуют методы, которые позволили бы наблюдать в мерзлых ДС наличие кластеров, образованных сетью пленочной влаги, поэтому методы диэлектрометрии на низких и сверхвысоких частотах совместно с другими физическими методами исследования, могут дать дополнительную информацию о внутреннем строении сред.

Следует обратить внимание на особенности переноса излучения в увлажненных ДС, так как появление анизотропии не только приводит к возникновению рассеяния излучения, но в случае отрицательной дисперсии, существенным образом изменяет распространение электромагнитных волн в среде.

Представляется необходимым также совершенствование существующих методик измерения электромагнитных свойств ДС. Наряду с влиянием кластеров воды на диэлектрические параметры, необходимо исследовать и изменение магнитных свойств ДС, особенно в точке перколяции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Филиппова, Татьяна Георгиевна, 2003 год

1. Homes С.С., Vogt T., Shapiro S.H. Wakimoto S., Ramirez A.P. Optical Response of High-Dielectric-Constant Perovskite-Related Oxide// Science Vol. 293. 27 July. 2001. P. 673-676.

2. Силин P.A., Чепурных И.П. О средах с отрицательной дисперсией// Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 10. С. 1212—1217.

3. Лагарьков А.Н., Панина Л.В., Сарычев А.К. Эффективная магнитная проницаемость композитных материалов вблизи порога протекания// ЖЭТФ. 1987. Т. 93. Вып. 1(7). С. 215-221.

4. Селяков В.И., Кадет В.В. Перколяционные модели процессов переноса микронеоднородных средах. -М.: Недра. 1995. 222 с.

5. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schults S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. N 18. P. 4184 4187.

6. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями еиц// Успехи физических наук. 1967. Т. 92. Вып. 3. С. 517-526.

7. Ильин В.А., Райзер В.Ю., Российский A.B., Сосновский Ю.М. О температурной зависимости мерзлого песка// Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 12. С. 1882.

8. Ильин В.А., Слободчикова C.B., Эткин B.C. Лабораторные исследования диэлектрической проницаемости мерзлых песчаных почв// Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38. № 6. С. 1036-1041.

9. Ешевский О.Ю., Ильин В.А., Колосов Г.Д. Низкотемпературный калориметр на анизотропных термоэлементах для исследования дисперсных систем// Приборы и техника эксперимента. 2001. № 5. С. 132-133.

10. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. -М.: ИЛ. 1960. 438 с.

11. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. -Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН. 1998.515 с.

12. Виноградов А.П. О формуле Клаузиуса-Моссотти-Лорентца-Лоренца// Радиотехника и электроника. 2000. т. 45. №8. С. 901-908.

13. Челидзе Т.Л., Деревянко А.К., Куриленко О.Д., Электроскопическая спектроскопия гетерогенных систем. -Киев: Наукова Думка, 1977. 231 с.

14. Петров Ю.И. Физика малых частиц. -М.: Наука. 1982. 360 с.

15. Гладков С.Ю. Физика композитов. -М.: Наука. 1999. 332 с.

16. Якупов. B.C. Исследование мерзлых толщ методами геофизики. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН. 2000.336 с.

17. Урьев Н.Б. Структурированные дисперсные системы// Соросовский образовательный журнал. 1998. №6. С. 42-47.

18. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. -М.: Наука. 1964. 568 с.

19. Дручинин B.C. Исследование применимости формул смеси для описания диэлектрической проницаемости сред с большим содержанием включений// Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. №2. С. 230.

20. Духин С.С., Шилов В.Н. Диэлектрические явления и двойной слой в дисперсных системах и полиэлектролитах. -Киев: Наукова Думка. 1972. 206 с.

21. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика. Под ред. Дортман Н.Б. -М.: Недра. 1984. 455 с.

22. Костин М.В., Шевченко В.В. К теории киральной среды на основе сферических спирально проводящих частиц// Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43. № 8. С. 921-926.

23. Шатров А.Д. Модель биизотропной среды из резонансных сферических частиц с идеальной смешанной проводимостью поверхности вдольспиральных линий// Радиотехника и электроника . 2000. Т. 45. № 10. С. 1168-1170.

24. Каценеленбаум Б.З. Диэлектрическая и магнитная проницаемости искусственной среды, содержащей малые диэлектрические или металлические эллипсойды// Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. №9. С. 1064-1070.

25. Пономаренко В.И. Искусственный магнетик с неупорядоченной структурой//Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. № 7. С. 869-870.

26. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. -М.: Наука. 1986. 340 с.

27. Pendry J.B. Extremly low frequency plasmons in metallic mesostructures// Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. N 25. P. 4773 4776.

28. Villenenve P.R., Fan S. Photonic crystals: putting a new twist on light// Nature. 1997. V. 386. 13 March. P. 143 149.

29. Мандельштам Л.И. Лекции по некоторым вопросам теории колебаний. Т. 5. -М.: Изд-во АН СССР. 1950. 461 с.

30. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины. -М.: Лесн. пром-ть. 1986. 128 с.

31. Манк В.В., Овчаренко Ф.Д., Маляренко A.B. Радиоспектроскопическое исследование строения граничных слоев воды. В кн. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей.- М.: Наука. 1983. С. 126-131.

32. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. -М.: Изд-во Моск. ун-та. 1998. 184 с.

33. Маэно Н. Наука о льде. -М.: Мир. 1988. 231 с.

34. Масалович A.M., Овчинников Л.Н. Модель структуры воды// Препринт ИМГРЭ. 1986. 33 с.

35. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. -М.: Мир. 1984. 824 с.

36. Isaacs E.D., Shukla A., Platzman P.M., Hamann D.R., Barbiellini В., Tulk C.A. Covalency of the Hydrogen Bond in Ice: A Direct X-R Measurement// Physical Review Letters. 1999. Vol. 82. N 3. P.600-603.

37. Wei X., Miranda P.B., Shen Y.R. Surface vibrational spectroscopic study melting of ice// Physical Review Letters. 2001. Vol. 86. N 8. P.1554-1557.

38. Фрелих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. -М.: ИЛ. 1960. 252 с.

39. Богородский В.В., Таврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. -Л.: Гидрометеоиздат. 1980. 384 с.

40. Warren S.G. Optical constants of ice from ultrafiolet to the microwave// Applied Optics. 1984. №. 23. P. 1206-1225.

41. Auty R.P., Cole R.H. Dielectric properties of Ice and Solid D20// J. of Chem. Phys. 1952. v. 20. No 8. P. 1309-1314.

42. Petrenko V., Whitworth R.W. Physics of Ice. Oxford Univ. Press. 1999. 347 P

43. Lobban C., Finney J.L., Kush W.F. The structure of a new phase of ice// Nature. 15 Jan. 1998. Vol. 391. P. 268-270.

44. Koza M.M., Schober H., Hansen Т., Tolle A., Fujara F. Ice XII Its Second Regime of Metastability// Phys. Rev. Lett. 1 May 2000. Vol. 84. N 18. P. 4112-4115.

45. Косяков В.И., Шестаков B.A. О возможности существования новой фазы льда при отрицательных давлениях// ДАН. 2001. Т. 376. № 6. С. 782-784.

46. Чалмерс Б. Физическое металловедение. -М. Металлургия. 1968. 186 с.

47. Тарасевич Ю.И., О структуре граничных слоев воды в минеральных дисперсиях. В кн. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей. М.: Наука. 1983. С. 147-151.

48. Поляков В.М., Тищенко Ю.Г., Чухланцев А.А. О возможности контроля влажностно-температурного режима мерзлых грунтов// Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39. № 3. С. 405.

49. Савельев Б.А. Физико-химическая механика мерзлых пород. -М.: Недра. 1989.216 с.

50. Tinga W.R., Voss V.A.G., Blossey D.F. Generalized approach to multiphase dielectric mixture theory// J. Appl. Physics. 1977. V. 44. N 9. P. 3897-3902.

51. Френкель Я.И. Влияние электролитической поляризации дисперсной среды на ее диэлектрическую проницаемость// ЖЭТФ. 1945. Т. 15. вып. 8. С. 417-426.

52. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. -М.: Недра. 1987. 214 с.

53. Нигматуллин P.P., Рябов Я.С. Диэлектрическая релаксация типа Коула-Дэвидсона и самоподобный процесс релаксации// Физика твердого тела. 1997. Т. 39. № 1.С. 101-105.

54. Нигматуллин P.P. «Физика» дробного исчисления и ее реализация на фрактальных структурах. КГУ, автореф. докт. дисс. -Казань. 1992. 29 с.

55. Lounev I., Nigmatullin R., Zavidonov A., Gusev Yu., et. al. Analysis of dielectric relaxation data in water-saturated sands and clays// J. of Non-Crystall. Solids. 2002. 305. P. 255-260.

56. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. Основы теории рассеяния волн фрактальной поверхностью// Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47. № 5. С. 517-544.

57. Новиков В.В., Wojciechowski K.W. Частотные зависимости диэлектрических свойств композитов типа металл-диэлектрик// Физика твердого тела. 2002. Т. 44. Вып. 11. С. 1963-1969.

58. Бобров П.П., Маслянников Н.М., Сологубова Т.А. и др. Исследование диэлектрических характеристик почв в области перехода влажности изсвободной в связанную на сверхвысоких частотах// ДАН СССР. 1989. Т. 304. №5. С. 1116-1119.

59. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Соболев В.Д., Барер С.С., Киселева О.А. Равновесие и течение незамерзающих пленок воды. В кн. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей. -М.: Наука. 1983. С. 215-221.

60. Боярский Д.А., Клиорин Н.И., Мировский В.Г., Тихонов В.В. Нестатические модели эффективной диэлектрической проницаемости природных сред, учитывающие рассеяние на частицах среды// Изв. вузов. Радиофизика. 1992. Т. 35. № 11-12. С. 928-937.

61. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Модель эффективной диэлектрической проницаемости влажных мерзлых почв в СВЧ-диапазоне// Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 6. С. 914-917.

62. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Аэрокосмическое зондирование гидрологического состояния почв радиофизическими методами. -Барнаул. 1997. 101 с.

63. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. -М.: Наука. 1986. 190 с.

64. Su X., Lianos L., Shen Y.R., Somorjai G.A. Surface-include ferroelectric ice on Pt(III)// Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. N 7. P. 1533-1536.

65. Delaney A.J. Arcone S.A. Laboratory measurements of soil electric properties between 0.1 and 5 GHz. USA CRREL. Rep. 82-10. 1982. 8 p.

66. Petrenko V.F. Electromechanical phenomena in ice. USA CRREL. Rep. 962. 1996. 30 p.

67. Whalley E., Klug D.D. Disorder-induced piezoelectric and piezo-optic effects. 1. The theory of the pierzoelectric properties and its application to ice// J. of Chemical Phys. V. 81. N 12. P. 6119-6123.

68. Агранович В.М., Гинзбург B.JI. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. -М.: Наука. 1979. 432 с.

69. Рязанов М.И. О диэлектрической проницаемости неоднородной среды// ЖЭТФ. 1955. Т. 108. вып. 5 (11). С. 1778-1786.

70. Bertolini D., Cassettari M., Salvetti G. The dielectric relaxation time of supercooled water// J. Chem. Phys. 15 Mar 1982. Vol. 76. N 6. P. 3285-3290.

71. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М. : Гос. изд-во физ-мат лит-ры. 1963. 403 с.

72. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: в 2-х кн. Кн. 1. Пер. с франц. -М.: Мир. 1992. 480 с.

73. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. -Л.: Химия. 1990. 256 с.

74. Семенов H.A. Техническая электродинамика. -М.: Связь. 1973. 480 с.

75. Силин P.A., Сазонов В.П. Замедляющие системы. -М.: Сов. Радио. 1964. 250 с.

76. Bordonski G.S., Krylov S.D. Loss-Factor Behavior of Freshwater Ice at 13,4 and 37,5 GHz// IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 2 Mar 1998. Vol. 36. N2. P. 678-680.

77. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г., Использование многочастотной диэлектрометрии для изучения физикохимических процессов в мерзлых дисперсных средах. Деп. ВИНИТИ 24.03.2000. № 778-ВОО. 40 с.

78. Бордонский Г.С., Головкова Ю.В., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Измерения диэлектрических характеристик мерзлого песка всантиметровом диапазоне// Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 7. С. 871-875.

79. Бордонский Г.С., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Диэлектрические свойства легкого (НгО) и тяжелого (D20) льдов при измерениях в резонаторах. 2000. Деп. ВИНИТИ 04.07.00. №774-В00. 40 с.

80. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Отличие электромагнитных свойств льда D20 и Н20 при измерениях в резонаторах// Физика твердого тела. 2001. Т.43. Вып. 9. С. 1575-1579.

81. Филиппова Т.Г. Диэлектрические характеристики мерзлых дисперсных сред в СВЧ-диапазоне. Деп. ВИНИТИ. 2002. 12 с. 25.05.02. № 962-В2002.

82. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Теоретические исследования собственного излучения резконеоднородных неизотермических сред// Исслед. Земли из космоса. 1992. № 6. С. 3-15.

83. Челидзе T.JI. Методы теории протекания в механике геоматериалов. -М.: Наука. 1987. 138 с.

84. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Влияние перколяции на диэлектрические свойства мерзлых дисперсных сред// Конденсированные среды и межфазные границы. 2002. т.4. №1. С. 2126.

85. Шевкунов C.B. Механизм плавления микроскопических частиц льда. Компьютерный эксперимент// ДАН. 2001. Т. 376. № 3. С. 318-323.

86. Корнилов В.М., Лачинов// Электропроводность в системе металл — полимер металл: роль граничных условий// ЖЭТФ. 1997. т. 111. вып. 4. С. 1513-1529.

87. Дыхне A.M., Васильев С.Ю., Петрий О.А., Рудавец А.Г., Цырлина Г.А. Молекулярный кластер как туннельный диод// ДАН. 1999. Т. 368. № 4. С. 467-469.

88. Бахтина Е.Ю. Ешевский О.Ю., Ильин В.А., Коржавчиков М.А., Фролов А.В., Особенности фазовых переходов в пленках связанной воды на поверхности границ дисперсных систем// Конденсированные среды и межфазные границы. Воронеж. 2001. Т.З. № 2. С. 136-142.

89. Бахтина Е.Ю., Ильин В.А., Смородин В.Е., Сосновский Ю.М. Радиофизические исследования фазовых переходов в дисперсных системах, содержащих связанную воду// Естественные науки и экология: Ежегодник ОмГПУ. Вып. 2. Омск.: Изд-во ОмГПУ. 1998. С. 88-95.

90. Физическая энциклопедия. Ред. A.M. Прохоров. -М.: Изд-во Большая Российская энциклопедия. 1994. т. 4. 703 с.

91. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных проводников. -М.: Наука. 1970. 416 с.

92. Дубров В.Е., Левинштейн М.Е., Шур М.С. Аномалии диэлектрической проницаемости при переходе металл-диэлектрик. Теория и моделирование// ЖЭТФ. 1976. Т. 70. Вып. 5. С. 2014-2023.

93. Efros A.L., Shklovskii B.I. Critical behavior of conductivity and dielectric constant near metal-non-metal transition threshold. Phys. stat. sol.(b). 1976. Vol. 75. P. 475-485.

94. Feldman Y., Kozlovich N., Alexandrov Y. et. al. Mechanism of the cooperative relaxation in microemulsions near the percolation threshold// Phys. Rev. E. 1996. v. 54. N 5. P. 4520-5427.

95. Gutina A., Haruvy Y., Gilath I. et. al. Dielectric properties of fast Sol-Gel glasses//J. Phys. Chem. B. 1990. 103. P. 5454-5460.

96. Виноградов А.П., Панина Л.В., Сарычев A.K. Метод расчета диэлектрической и магнитной проницаемостей перколяционных систем// ДАН. 1989. Т. 306. № 4. С. 847-851.

97. Волоснев С.А., Козлов А.Н., Нехорошее А.В., Синельникова С.Е., Сковородкин Ю.П. Магнетизм мелкодисперсной системы кремнезем — вода// ДАН СССР. 1987. Т. 296. № 3. С.

98. Jellinek Н.Н. Liquidlike layers on ice// J. of Appl. Phys. 1961. v. 32. P. 1793.

99. Емец Ю.П. Дисперсия диэлектрической проницаемости двухкомпонентных сред// ЖЭТФ. 2002. Т. 121. Вып. 6. С. 1339 1351.

100. Савельев Б.А. Методы изучения мерзлых пород и льдов. -М.: Недра. 1985. 222 с.

101. Matzler С., Wegmuller U. Dielectric properties of fresh-water ice at microwave frequencies// J. Phys. D.: Appl. Phis. (UK). 1987. P. 1623-1630.

102. Браун. В.Ф. Диэлектрики. -M.: ИЛ. 1961. 326 с.

103. Кузьмин В.Н. Исследование криолитосферы Марса. -М. 1982. 53 с.