Исследование диэлектрических свойств влажных дисперсных систем радиофизическими методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАХТИНА Елена Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЛАЖНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ РАДИОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Ильин В.А.,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Смородин В.Е.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................4

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ........ 13

Введение................................................................................13

1.1. Дисперсные системы естественного (природного) и

искусст венного происхождения...........................................14

1.2. Вода в дисперсных системах.............................................. 20

1.3. Фазовая диаграмма воды. Лед и его модификации................... 30

1.4. Методы исследования диэлектрических характеристик дисперсных систем............................................................37

1.5. Экспериментальные исследования диэлектрических свойств влажного песка при отрицательных температурах................... 40

1.6. Модель мерзлого песка как дисперсного диэлектрика................45

1.7. Сегнетоэлектрики, их свойства и возможность существования

в дисперсных системах......................................................46

Выводы и постановка задачи......................................................59

ГЛАВА II. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА..................63

Введение.............................................................................. 63

2.1. Цели и особенности лабораторных измерений диэлектрических свойств дисперсных систем........................ 64

2.2. Стенд для проведения измерений....................................... 65

2.2.1. Метод измерения диэлектрической проницаемости.............65

2.2.2. Установка для измерений электрофизических характеристик дисперсных систем................................. 66

2.3. Объекты исследований и подготовка их к измерениям............... 72

Выводы по главе..................................................................... 75

ГЛАВА III. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДС ПРИРОДНОГО

ПРОИСХОЖДЕНИЯ................................................ 76

Введение.............................................................................. 76

3.1. Экспериментальные исследования температурных зависимостей диэлектрической проницаемости влажного песка.....................77

3.2. Исследование диэлектрических свойств минералов.................. 83

3.3. Обсуждение результатов, полученных при изучении диэлектрических свойств природных ДС............................... 86

3.3.1. Временная стабильность диэлектрических свойств............ 86

3.3.2. Зависимость диэлектрической проницаемости ДС

от влажности............................................................ 87

3.3.3. Особенности образования льда из связанной воды............ 89

Выводы по главе..................................................................... 99

ГЛАВА IV. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДС

ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.................. 101

Введение.............................................................................. 101

4.1. Экспериментальные исследования диэлектрической проницаемости ДС на основе кварца.................................... 102

4.2. Экспериментальные исследования диэлектрической проницаемости ДС на основе стеклянных шариков................... 107

4.3. Экспериментальные исследования температурных

аномалий в содержащих воду ДС......................................... 110

4.4. Диэлектрические свойства ДС на основе разных материалов. Сравнительный анализ.......................................................113

4.5. Зависимость диэлектрической проницаемости ДС от влажности.. 116

4.6. Обсуждение результатов................................................... 117

4.6.1 .Температурные зависимости диэлектрической проницаемости 117

4.6.2. Сравнение диэлектрических свойств ДС на основе

разных материалов......................................................124

4.6.3. Тепловые эффекты в содержащих воду ДС........................128

4.6.4. Некоторые нерешенные проблемы................................. 130

Выводы по главе..................................................................... 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................... 140

ВВЕДЕНИЕ.

В последние годы все большую актуальность приобретают исследования тех процессов, происходящих в квазидвумерных системах, которые являются поверхностными* аналогами известных объемных эффектов [1]. Эти исследования включают в себя изучение фазовых переходов I и II рода и сопровождающих их различных аномалий вблизи точек перехода (изменение температурной зависимости магнитной восприимчивости, диэлектрической проницаемости и др.). Перспективны задачи поиска поверхностных аналогов таких объемных эффектов, как ферро- и антиферромагнетизм, сегнетоэлек-тричество, сверхпроводимость и сверхтекучесть и т.д. [1].

Условие двумерности системы может быть реализовано не только в специально изготовленных тонких пленках, но также в некоторых макроскопических неупорядоченных структурах естественного и искусственного происхождения [2]. Одним из таких объектов являются дисперсные среды (ДС), представляющие собой неоднородные смеси веществ, в которых можно выделить, по крайней мере, две различные фазы. Двумерная система в этом случае представляет собой пленку твердого или жидкого вещества, покрывающую гранулы основного компонента ДС. Свойства ДС зависят от ее физико-механических характеристик (дисперсность, температура, влажность, структурный фактор и др.), определение которых является важной фундаментальной и практической задачей. При этом особое место принадлежит радиофизическим методам исследования.

Сказанное выше тем более значительно также потому, что дисперсными средами являются многие природные объекты, например, почвы и минералы, определение характеристик которых дистанционными методами является важной народнохозяйственной задачей. Дистанционное зондирование земной поверхности (мониторинг) как раз и проводится радиофизическими

методами, причем во многих случаях используется микроволновый (СВЧ) диапазон электромагнитного излучения [3-5].

В основе радиофизических методов исследования ДС лежит анализ собственного или рассеянного средой электромагнитного излучения. Регистрируемое приемной аппаратурой, оно содержит в себе информацию о параметрах исследуемой среды, в первую очередь, ее диэлектрической проницаемости. Для почв, являющихся одним из наиболее важных объектов дистанционного зондирования, она зависит от температуры, влажности, структурного и минерального состава, плотности, наличия примесей, толщины слоя и др. Все эти физико-механические характеристики в той или иной мере оказывают влияние на процесс взаимодействия электромагнитного излучения со средой, поскольку определяют ее электродинамические свойства, однако, основными факторами являются, все же влажность и температура [16, 23, 46, 71,72,76-79, 103 и др.].

Таким образом, исследование свойств поверхностных пленок жидкости (чаще всего воды) в различных природных и искусственных ДС - важная теоретическая и прикладная задача, и ей посвящено значительное число публикаций, (см, например, [20-44, 47-57, 59-67, 69-75]). В то же время изучению процессов образования льда в таких системах уделяется существенно меньшее внимание, хотя такие исследования имеют несомненную фундаментальную и прикладную ценность. Именно это и определяет актуальность данной диссертационной работы.

В [78, 79, 103, 105-109] приведены результаты лабораторных исследований влажного песка различной дисперсности, являющегося типичной ДС и в то же время наиболее простой моделью реальной почвы. В них изучалось влияние температуры, влажности, солености, гранулометрического состава на диэлектрические и радиофизические характеристики такой ДС. Исследования показали, что смесь чистого кварцевого песка и дистиллированной во-

ды является сложной многокомпонентной средой, включающей различные типы воды и льда, имеющие отличающиеся друг от друга значения комплексной диэлектрической проницаемости. В [78, 79] обнаружено, что в определенном диапазоне температур и влажностей наблюдается аномальный рост эффективной диэлектрической проницаемости, что свидетельствует об образовании в исследуемой ДС компоненты с высоким значением 8. Было высказано предположение о том, что этой компонентой является лед, образованный из связанной воды и обладающий сегнетоэлектрическими свойствами [78, 107]. Однако, на наш взгляд, условия эксперимента [78, 79, 105-107], и, в частности, использовавшийся температурный диапазон (+25...-25°С) недостаточен для того, чтобы с полной определенностью подтвердить или опровергнуть это предположение. К тому же, песок не является идеальным объектом для проведения подобных исследований из-за сложности своего минералогического состава и большого числа дефектов на поверхности гранул.

В связи с вышесказанным была поставлена цель работы: изучение в СВЧ-диапазоне волн диэлектрических свойств многокомпонентных ДС естественного и искусственного происхождения, содержащих воду и образовав- С шийся в результате фазовых переходов лед различных модификаций, а также изучение особенностей этих переходов в интервале температур 0.. .-180°С.

При этом было необходимо решить следующие задачи:

• исследовать температурные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости многокомпонентных дисперсных сред природного и искусственного происхождения при влажностях \У~ 0...18% и температурах 1= +25...-180°С;

• на основе измерений комплексной диэлектрической проницаемости изучить влияние кристаллографической структуры, химического состава и состояния поверхности материала основной компоненты ДС на процессы образования льда в ней;

• определить условия образования льда различных модификаций из связанной воды при изменении температуры ДС; проанализировать особенности фазовых переходов в системе связанная вода-лед и при переходах льда одного типа в другой.

В процессе решения поставленных задач был получен ряд новых экспериментальных результатов:

1. На частоте 20 ГГц исследованы температурные зависимости эффективной комплексной диэлектрической проницаемости ряда многокомпонентных ДС естественного (песок, гранит) и искусственного (порошки кварца и стекла) происхождения в широких диапазонах влажностей (\У~0...18%) и температур (1=+25...-180°С). При этом во всех случаях подтверждено наличие обнаруженного ранее эффекта аномального изменения е при отрицательных температурах.

2. Экспериментально показано, что образование льда из связанной воды существенным образом зависит от кристаллографической структуры и химического состава гранул основного вещества ДС, а также от состояния их поверхности и процессов, происходящих на ней при взаимодействии с водой.

3. Обнаружено неизвестное ранее явление - наличие резонансно зависимых от влажности максимумов на кривых е(1:) во всех исследованных ДС, которые могут быть интерпретированы как связанные с фазовыми переходами «связанная вода-лед» в пленках на поверхности гранул, в том числе с переходом сегнетоэлектрик - параэлектрик.

4. Подтверждено предположение о том, что в тонких квазидвумерных пленках связанной воды на поверхности гранул основного вещества ДС образуется лед, модификация которого зависит от толщины пленки, характера и состояния границы раздела.

5. Экспериментально обнаружено, что в области I—40°С, соответствующей началу роста г^), изменение температуры образца происходит таким

образом, как если бы в нем протекал фазовый переход первого рода, характеризующийся конечной скрытой теплотой.

6. Совокупность экспериментальных данных позволяет предложить качественную модель ДС, в основу которой положено предположение о том, что наблюдаемые явления есть проявления двумерного аналога объемного сегнетоэлектрического эффекта.

Указанные положения выносятся на защиту.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана методика и создан исследовательский стенд, позволяющий проводить изучения ряда электрофизических, теплофизических и радиофизических характеристик ДС на частоте 20 ГГц в диапазоне температур от +30°С до -180°С.

2. Полученные результаты могут стать основой для разработки метода определений малых количеств влаги в ДС (порошках, горных породах, полимерах и т.п.).

3. Получены температурные зависимости диэлектрической проницаемости ряда природных материалов в области температур, соответствующих зимнему периоду арктических областей Земли и криолитозонам некоторых планет, что может быть использовано при глобальном мониторинге Земли и изучении поверхности планет (например, Марса) дистанционными методами.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной аппаратуры, применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов, разумным согласием полученных экспериментальных данных с теоретическими, а также, в ряде случаев, с данными других авторов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 154 страницы печат-

ного текста, включая 32 страницы рисунков и таблиц. Список использованной литературы содержит 160 работ отечественных и зарубежных авторов.

В первой главе «Обзор литературы и постановка задачи» представлен анализ литературных данных по теме диссертации. Глава состоит из семи параграфов. В первом дается определение дисперсной системы, указываются ее виды, приводится краткое описание основных физико-механических и диэлектрических характеристик ДС. Обосновывается актуальность изучения физических процессов, происходящих в ДС.

Во втором параграфе основное внимание уделяется классификации типов влаги в дисперсных системах природного и искусственного происхождения, описанию ее свойств, условиям взаимоперехода одного типа воды в другой, характеризуются методики изучения свойств связанной воды. В третьем параграфе приведена фазовая диаграмма воды, рассмотрены условия образования объемного льда различных типов. Четвертый параграф содержит описание методов исследования диэлектрических характеристик ДС. В пятом приведены результаты экспериментальных исследований диэлектрических и радиофизических характеристик влажного песка в диапазоне температур +25...-25°С, обсуждается их интерпретация. Шестой параграф посвящен существующим в настоящее время моделям влажного и мерзлого песка.

В седьмом параграфе, описаны основные характеристики структурных сегнетоэлектрических фазовых переходов, возможность существования сег-нетоэлектрических свойств у льда различных модификаций. Отмечается, что в [144, 145] экспериментально обнаружен сегнетоэлектрический переход при Тс~ 100 К у льда I, в [90] делается вывод, что лед IX, существующий при температурах ниже -100°С в диапазоне давлений 2...6 кбар является антисег-нетоэлектриком.

На основе анализа рассмотренного материала ставится задача исследования.

Вторая глава - «Методика и техника эксперимента» посвящена описанию экспериментальных методик и установок, используемых в лабораторном эксперименте по исследованию диэлектрической проницаемости при температурах +30;..-180°С в СВЧ-диапазоне волн. Рассматриваются условия проведения измерений, дается описание характеристики использованных образцов, приводится описание методики их подготовки к экспериментальным исследованиям.

В третьей главе - «Диэлектрические свойства ДС природного происхождения» приведены результаты исследований действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости песка и гранита, их зависимости от влажности и температуры. Во всех исследованных материалах обнаружено немонотонное поведение 8(1) в отрицательной области температур, которое мы объясняем образованием льда нескольких модификаций в пленках связанной воды. В рамках такого подхода рассматриваются фазовые переходы в ДС, содержащих связанную воду и лед. Проведено сопоставление характера поведения действительной и мнимой частей 8 исследуемых ДС с аналогичными характеристиками для классических сегнетоэлектриков.

Совокупность приведенных в данной главе экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что в исследуемых ДС природного происхождения, содержащей определенное количество связанной воды, при низких температурах образуется компонента, представляющая собой лед с высоким значением 8. Показано, что определение его физической природы и свойств на образцах ДС естественного происхождения затруднительно в связи со сложностью их минералогического состава, а также с неоднородностью и высокой дефектностью поверхностных слоев. В связи с этим ставится задача

проведения аналогичного комплекса исследований в ДС искусственного происхождения с контролируемыми свойствами поверхности гранул.

Четвертая глава - «Диэлектрические характеристики ДС искусственного происхождения» содержит данные экспериментального исследования диэлектрической проницаемости порошков дробленного монокристаллическог�