Структура и комплексная диэлектрическая проницаемость фазового перехода вода-лед на длине волн ламбда=10см в режиме термодинамически необратимой кристаллизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Тандиа, Мусса

• Тандиа, Мусса
• 1984

Оглавление диссертации Тандиа, Мусса

Введение

I. Обзор литературы. ?

1.10бщие положения . г

1.2. Влияние различных факторов на. потенциал замерзания.

1.3. Обзор теории явления Воркмана-Рейнольдса.Ц

П. Экспериментальной исследование комплексной диэлектрической проницаемости переходного слоя вода-лед в СВЧ диапазоне.2/

2.1. Исследование диэлектрической проницаемости для радиофизических измерений

2.2. Методика эксперимента

2.3. Метод вариации толщины образца

2.4. Метод короткого замыкания и холостого хода.

2.5. Метод частичного заполнения сечения волновода.si

2.6. Порядок выполнения работы

2.7. Использованная аппаратура.

2.8. Результаты эксперимента .щ

Ш. Исследование комплексной диэлектрической проницаемости фазового перехода и структуры фазовой границы при термодинамически необратимой кристаллизации равновесной дистиллированной воды (pH = 6,6)

3.1. Использованная аппаратура.¿,д

3.2. Степень деполяризации сигнала, отраженного от фронтальной поверхности.

3.3. Пространственные неоднородности.5*}.

3.4. Голографическое исследование структуры фазового перехода. 5*

3.5. Анализ результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и комплексная диэлектрическая проницаемость фазового перехода вода-лед на длине волн ламбда=10см в режиме термодинамически необратимой кристаллизации»

Современная метеорология немыслима без применения радиофизических методов измерения. Преимущество радиолокационных и лазерных средств зондирования атмосферы перед другими огромно, поэтому в настоящее время эти методы приобретают растущее научное и прикладное значение.

Научные и прикладные задачи радиолокационной метеорологии проявились в использовании радиолокатора в различных областях, в авиации, народном хозяйстве и т.д.

Однако имеющиеся в данный момент методы радиолокационных наблюдений не всегда обеспечивают требуемую заблаговременность предупреждения таких опасных явлений как ливень, гроза, град.

Известно, что опасные явления в облаках происходят при их бурном развитии, связанном с термодинамически необратимой кристаллизацией переохлажденных капель. Есть основания считать, что величина комплексной диэлектрической проницаемости при этом отличается от табличных значений, следовательно, должна меняться радиолокационная отражаемость быстро развивающихся облаков.

Однако до сих пор не было прямых измерений комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 3 ГГц ( Я = 10 см) переходного слоя вода-лед, воды и водных растворов в зависимости от значений электрокристаллизационных потенциалов (соответственно, от значений скоростей кристаллизации).

В настоящее время радиолокационные наблюдения за опасными явлениями в облаках ведутся на длине волны более 5 см в связи с тем, что в этом диапазоне частот электромагнитная волна менее чувствительна к атмосферным помехам.

Целью настоящей диссертационной работы является эксперимен

-втальное исследование на частоте 3 ГГц ( X = 10 см) комплексной диэлектрической проницаемости переходного слоя вода-лед при кристаллизации, а также экспериментальное исследование пространственной структуры межфазного слоя вода-лед и нахождение связи между процессом упорядочения переходного слоя и увеличением диэлектрических потерь как функции электрокристаллизационного потенциала.

Основные задачи, непосредственно вытекающие из цели исследования:

1) экспериментальное определение комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь в широком диапазоне 1,6 <рН< 12 слабых водных растворов к На. ОН (облачная вода в естественных условиях имеет рН в диапазоне 4,5-1-7,6);

2) нахождение зависимости комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь слабых водных растворов им ЛШ от рН в „ диапазоне 4,54-7,6 и одновременно от значений электрокристаллизационных потенциалов ( ф );

3) Установление изменения во времени электрокристаллизационных потенциалов, действительной части комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь;

4) нахождение зависимости комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь равновесной дистиллированной воды (сопротивление 150-200 кОм) от значений электрокристаллизационных потенциалов;

5) исследование пространственных структурных неоднородно-стей фронта кристаллизации, определение их линейных размеров, а также непосредственное наблюдение за кристаллизующейся поверхностью при различных значениях электрокристаллизационных потенциалов.

Научная новизна. Впервые исследована на частоте 3 ГГц ( Л = 10 см) комплексная диэлектрическая проницаемость вода и водных растворов при теомодинамически необратимом фазовом переходе вода-лед.

Впервые показано, что аномальное поглощение электромагнитного поля связано со структурным упорядочением переходного слоя расплав-лед, тем самым показана аналогия между исследуемым эффектом и известным эффектом Завойского.

Практическая ценность работы. Полученные аномальные значения комплексной диэлектрической проницаемости должны учитываться при разработке аппаратуры и интерпретации результатов радиолокационных измерений.

Диссертация состоит из 3-х глав, введения и заключения.

Первая глава работы носит обзорный характер и посвящена рассмотрению электрических явлений при фазовом переходе, и в частности, изменению диэлектрической проницаемости.

Во второй главе содержится описание исследования комплексной диэлектрической проницаемости переходного слоя вода-лед в СВЧ диапазоне. В первой части главы дается краткий обзор исследований диэлектрической проницаемости гидрометеоров.

В третьей главе исследуется комплексная диэлектрическая проницаемость фазового перехода вода-лед и структура фазовой границы при различных скоростях замерзания равновесной дистиллированной воды (рН = 6,6). Кроме того, в конце главы дается анализ основных результатов, полученных в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Тандиа, Мусса

Основные результаты, полученные в диссертации, состоят в следующем.

I. Получено значение комплексной диэлектрической проницаемости слабых водных растворов 50^ и$аОН в диапазоне рН = = 1,6 -г 12 при температуре 20°С на длине волны & = 10 см.

2.Установлена зависимость комплексной диэлектрической проницаемости равновесной дистиллированной воды (сопротивление 150-200 кОм) от значений кристаллизационного потенциала (соответственно скорости кристаллизации).

3. Исследовано изменение комплексной диэлектрической проницаемости в зависимости от рН и значений кристаллизационного потенциала для облачной воды в евйественных условиях.

4. Получена зависимость скорости деполяризации первоначально линейно поляризованного лазерного пучка от скорости движения фронта кристаллизации.

5. Исследована пространственная неоднородность поверхности фронтальной границы как функция скорости продвижения фазовой границы и определен характерный линейный размер неоднородностей.

6. Для разных значений кристаллизационного потенциала получены изменения в процессе кристаллизации величин действительной части комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь переходного слоя вода-лед (рН = 6,6) с одновременным изучением структуры самой фронтальной поверхности методом голографии.

- 751

заключение

Список литературы диссертационного исследования Тандиа, Мусса, 1984 год

1. Адам H.K. Физика и химия поверхностей. Гостехиздат,1947.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М., изд. Мир, 1979, 683 с.

3. Аристов В.В., Броуде Л.В. Голография безопорного пучка. Препринт института физики твердого тела АН СССР, М., 1969, 20 с.

4. Беляков В.А., Сонин A.C. Оптика холестерических жидких кристаллов. М., "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1984, 360 с.

5. Богородский В.В., Хохлов Г.П. Влияние некоторых солевых компонентов и их состава на электрические свойства льда, Тр.ААНИИ, 1970, т.295, с. 12-18.

6. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на СШ. Гос.изд. физ-мат. литературы, М., 1963, 404 с.

7. Бычков В,В., Федулов С.А., Михайлов A.B. Диэлектрические свойства воды в области фазового перехода жидкость-лед. ЖФХ, т.48, 1974.

8. Вендик О.В. Сегнетоэлектрики в технике СШ. М., Сов.радио, 1979, 270 с.

9. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория устойчивости и флуктации. М., изд. Мир, 1973, 347 с.

10. Губнина А.Н. Электреты. М., Наука, 1978, 192 с.

11. Горонина К.А., Белов Р.К., Сорокина Э.Н. Изв. вузов, "Радиофизика", 1966, 9, 5, 975.

12. Григоров Н.О. Кандидатская диссертация. Л., 1974, ЛГМИ

13. Гуриков Р.В., Савельева Э.М. и др. Возможное объяснение возникновения разности потенциалов между раствором электролитаи растущим кристаллом льда. ЖФХ, т.49, № б, 1974.

14. Ефремов И.Ф., Борисова Л.М., Корнеева , Розенталь О.М., Феденин Е.И. Образование и свойства пленочныхв гидродисперсных вяжущих средствах. Приклад.химия,№ 9,1984 г.

15. Ефремов И.Ф., Сычев М.М., Розенталь О.М., Ш, 1979, т. 43, №2, с. 261-265.

16. Ефремов И.Ф., Розенталь О.М. ЖФХ, т.47, № 3, с. 571-574.

17. Ефремов И.Ф., Прокофьева Т.А. В кн. Дисперсные системы и их поведение в электрических и магнитных полях, JI., ЛТИ им. Ленсовета, 1976, с.39-44.

18. Завойски Е.К. Парамагнитный резонанс. Казанская школа радиоспектроскопии I944-I97I, сб. статей под ред. А.Д.Митина, М., Атоиздат, 1974, 290 с.

19. Зуев В.Е. Лазер метеоролог., М., Наука, 1978.

20. Иваницкая Г.Р., Кунский A.C. Исследование микроструктуры объектов методом когерентной оптики, "Энергия", М., 1974.

21. Ивановский A.B., Барыкина Г.С. Погрешность измерения диэлектрической проницаемости методом тонкого цилиндрического образца на СВЧ.Научная конференция,г.Днепропетровск,1976 .

22. Имянитов И.М., Чуваев А.П. Об основных процессах, ведущих к электризации в грозовых облаках. Тр. ГТО, вып. 67, X29I, 1957.

23. Имянитов И.М., Мордовина Л.С. Причина возникновения больших потенциалов в процессе замерзания некоторых водных растворов. Докл. АН СССР, т. 190, № 3, 1970.

24. Качурин Л.Г., Бекряев В.И., Псаломщиков В.Ф., Григоров Н.О. О возможности управления электрической активностью грозовых облаков путем изменения кристаллизационных потенциалов. Изв. АН СССР, сер. ФАО, т. П, № 7, 1975.

25. Качурин Л.Г., Бекряев В.И., Псаломщиков В.Ф. Эксперименталь ное исследование электрокинетического явления, возникающего при кристаллизации слабых водных растворов. Докл. АН СССР, т. 174,6, 1967.

26. Качурин Л.Г., Бекряев В.И., Григоров Н.О., Псаломщиков В.Ф. Электризация кристаллизующихся облаков, международный симпозиум по атмосферному электричеству, М., 1971.

27. Качурин Л.Г. Электрические явления, возникающие при кристаллизации жидкостей. Электрохимия, т. 6, вып. 9, 1970, с. 1294 -1299.

28. Качурин Л.Г. Электрический потенциал, возникающий при кристаллизации жидкостей, в сб. Поверхностные явления жидкостей, под ред. Русанова Д.И., изд. ЛГУ, 1975, - с. 137-153.

29. Качурин Л.Г., Григоров Н.О. Электрокристаллизационные потенциалы и диэлектрическая проницаемость водных растворов. ЖФХ, 1977, т. 51, с. 2864-2868, вып. II.

30. Качурин Л.Г., Колев С.И., Орлов Р.А. Диэлектрические свойства фазового перехода в СВД диапазоне. Прикладные вопросы физики атмосферы. Изд. ЛПИ, 1983, вып. 81, с. 51-56 (ЛГМИ).

31. Качурин Л.Г», Бекряев В.И. Исследование процесса электризации кристаллизующейся воды. Докл. АН СССР, т. 130, № I, I960.

32. Качурин Л.Г., Колев С.И., Псаломщиков В.Ф. Импульсное радиоизлучение, возникающее при кристаллизации воды и некоторых диэлектриков ДАН СССР, 1982, т.267, с. 347-350.

33. Красюк Н.П., Розенберг В.И. Корабельная радиолокация и метеорология. Л., Судостроение, 1970, 328 с.

34. Малов Н.М. Аномальная электропроводность концентрированных растворов Н250^ при дециметровых волнах. ЖТФ, 1932, 9, $ 22, -с. 2004-201I.

35. Малов Н.М. Применение первого метода Друде к изучениюэлектрических свойств жидкостей. ЖТФ, 1939, 9, № 7, с. 867-870.

36. Мельникова А.М. Разделение зарядов при кристаллизации. Кристаллография, т. 14, 548, 1969.

37. Митник Л.М. Диэлектрическая проницаемость воды необходимость точных знаний для решения задачи дистанционного зондирования. - "Исследование Земли из космоса", 1984, № 3.

38. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизации в неравновесных системах. М., изд. Мир, 1979, 531 с.

39. Ott Г. Метод подавления шумов и помех в электронных системах. М., изд. Мир, 1979, 137 с.

40. Паундер Э. Физика льда. М., изд. Мир, 1967, 189 с.

41. Петера В. Замечания к вопросу изучения процессов возникновения электрических зарядов при фазовом превращении воды в лед. Симпозиум по физике облаков, София, 1969.

42. Порай-Кошиц. Практический курс рентгеноструктуры анализа, М., i960.

43. Псаломщиков В.Ф. Кандидатская диссертация. Л., 1974 (ЛГМИ)

44. Радин К.П. Издательство вузов. Радиофизика, т. I, 1958, № 5-6, с. 177-179.

45. Розенталь О.М. Кристаллизационная поляризация воды и водных растворов. ЖФХ, т. 44, № 9, 1970.

46. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. Гидрометеоиздат, Л., 1976 , 349 с.

47. Рудаков В.К., Богородский В.В. ЖТФ, i960 , 30, I, с. 82-86.

48. Смолинский Г.А. и др. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлек-трики. Л., Наука, 1971, 357 с.

49. Уайт Р., Джебель Т. Дальний порядок в твердых телах. -пер. с англ., М., Мир, 1982, 448 с.

50. Чернов A.A., Мельникова А.Н, Теория электрических явлений,сопровождающих кристаллизацию. Кристаллография, т.16, № 3, 1971.

51. Шарков Е.А. О выборе релаксационной модели диэлектрических свойств воды для задачи дистанционного зондирования. Препринт Ш, АН СССР, Пр.-ЗОС, М., 1983.

52. С2. Збелинг В. Образование структур при необратимых процессах. М., Изд. Мир, 1979, 273 с.

53. Addison J.К. Elektrical properties of saline ice. Journ., appl., phys., 1969, vol.40, p. 1305-1309.

54. Azad A.K., Latham J. Electrification, associated with the evaporation of water and ionic solutions. Journ. atmosph. and terr. phys., 29, 11, p. 1403, 1967.

55. Bjerrum n. Science, 115, 385, 1952.

56. B1 II. Dielectric permitivity of ice and water at millimeter wavelength. GEO. Res. 1980.

57. Castillio Raymond, A.Jiusto, James . Ph and ionic compositions of stratiform cloud water "Atmos. env." 1983, 17,8 1439-1505.

58. Cobb A.W. Interfacial electric effect observated during the freezing of water. Hew Mexico Institute ofand technology, Socorro Hew Mexico, 1964,

59. Eyerer P. Electric Charge separation and charge store.ge during phase changes in the absence of external fields. Sci., 3, P-223, 1972.

60. Gill. E.W. , Alfrey G.F. Production of electric chargeson water drops. Mature, 1952 vol. 169, 42, p.92T95.

61. Heinmets P. Measurement of liquide interface potentialsin protonated and hydroxylated electrolites. Trans. Earaday soc. v. 58, 4, 1962.

62. Joss J. List R. Z.Math. phys., 14, 376, 1963.

63. Lodge P.H., Baker M.L. Peirrad J.M. Journ. of chem.phys., v.24. 716, 1976.

64. Latham J., Mason B.J. Generation of electric charge,associated with the formation of soft hail in thunderstorm, proc. Royal soc., v.260, 1303, 1961.

65. Little W.J. Proc. phys. soc. 1953, 66, part 3, 399 B, 175-188.

66. Murphy E.J. The generation of electromotive forces during the freezing of water. Journ. colloid and interface sci. , v. 32,1. И 1, 1970.

67. Propacher M.R. Stinberger P.I.I. , Weng T.L. Journ. of geo-phys. Res., v., 73, N 2, 1968.

68. Parreira M.C. , Egdt A.J. Nature, 208, 33, 1965.

69. Progress in dielectrics, v.3, od.Acad.Press., N4» 1961.

70. Pearce C.A.R. The permitivity of two phase mixture -Brit. J.Appl. phys.1955, v•6, К 10, p.358.

71. Ribeiro G. On the therrno dielectric effect. "Annais da Academia Brasileira da ciencias". 1950, vol.22, N 2, p.325-348.

72. Roulleau M. Influense de la purete de ISeam sur la production de charges electriaues accompagnant de la congelation comptes rend.,248, N 13, 1959.

73. Ryde J.W. Lleteorilogical factors in radio wave propagation, London, phys. soc., 1946.

74. Wang J.H. Jour. phys. chem. Ithaca, 65-69, 4412, 1965.

75. V/ailley E. The disertion of water molecule in ice. Journal of clucialogy, 1978, vol. 21. N 85, p. 13-31.