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: 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 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~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 и 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 v₀ резонатора 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 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 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 - темп-ры, 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.

Лит.: 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.

   <<      Предметный указатель      >>