Диэлектрические измерения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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

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

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 v₀резонатора 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

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 - температуры, 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.

Литература по диэлектрическим измерениям

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.