Брандт А.А.
Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА
1963
Редактор А. И. Костиенко
Техн. редактор Л. Ю. Плакше
Корректор Т. С. Страхова
В книге рассматриваются разнообразные методы, применяемые для исследования диэлектрической проницаемости и потерь твердых, жидких и газообразных веществ в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Указываются достоинства и недостатки всех рассмотренных методов, границы их применимости и точность получаемых результатов.
Книга предназначена для научных работников, занимающихся исследованием электрических свойств вещества, преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов соответствующих высших учебных заведений.
© Государственное издательство физико-математической литературы.
Содержание книги
Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах
Предисловие
Введение
Глава 1. Измерительные конденсаторы и роль паразитных параметров
§ 1. Измерительные конденсаторы и образцы
§ 2. Влияние паразитных параметров
Глава 2. Резонансные методы
§ 1. Введение
§ 2. Резонансные методы в области метровых волн
§ 3. Резонансные методы в области метровых и дециметровых волн
§ 4. Резонансные методы в области сантиметровых волн
Глава 3. Волноводные методы
§ 1. Введение
§ 2. Первый метод Друде и другие методы с двухпроводной линией
§ 3. Использование коаксиальных линий
§ 4. Волноводные методы
Глава 4. Методы измерения проницаемости газов
§ 1. Введение
§ 2. Резонансные методы измерения проницаемости газов на сантиметровых волнах
§ 3. Волноводные методы измерения проницаемости газов
Глава 5. Оптические методы
§ 1. Введение
§ 2. Некоторые вопросы теории оптических методов
§ 3. Методы, основанные на отражении и прохождении радиоволн
§ 4. Интерференционные методы
Глава 6. Калориметрические методы
§ 1. Методы относительных измерений
§ 2. Методы, основанные на расширении жидкостей
§ 3. Калориметрические методы измерения проницаемости твердых веществ
Глава 7. Пондеромоторные методы
§ 1. Методы, основанные на втягивающем действии поля
§ 2. Методы, основанные на силе притяжения между обкладками конденсатора
§ 3. Метод эллипсоида
§ 4. Измерение проницаемости твердых тел
Глава 8. Методы измерения высоких значений проницаемости
§ 1. Введение
§ 2. Методы измерения проницаемости сегнетоэлектриков
Литература
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящей книге предпринята попытка систематизировать обширный материал, посвященный методике измерения диэлектрических характеристик веществ в широком диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Несмотря на чрезвычайно большое разнообразие методов измерения и их модификаций нельзя считать, что в руках исследователей имеются общепризнанные методы, обеспечивающие необходимую точность и позволяющие производить измерения различных веществ, в любых их агрегатных состояниях, в широком диапазоне частот и температур. Об этом свидетельствуют непрекращающийся поток различных методических разработок, отсутствие промышленных образцов аппаратуры для измерения диэлектрической проницаемости, а также тот факт, что результаты измерений различных авторов для одних и тех же веществ зачастую не совпадают между собой, причем эти расхождения в некоторых случаях значительно превосходят погрешности измерений.
Объяснение этого обстоятельства, по-видимому, следует искать, во-первых, в том, что специалисты-радиофизики, занимающиеся разработкой методов, в большинстве случаев мало интересуются материалами и приводят экспериментальные данные лишь для характеристики достоинств или недостатков той или иной методики. С другой стороны, исследователи, интересующиеся в первую очередь физическими явлениями, происходящими в тех или иных веществах, не будучи специалистами-радиофизиками, ие могут иногда полностью преодолеть все специфические экспериментальные трудности, возникающие при конструировании и налаживании измерив тельных установок.
Для каждого из методов, нашедшего свое отражение в книге, приведены основные физические предпосылки, краткая теория, описание конструкции измерительной установки и ее возможностей, даны указания по методике эксперимента и произведена оценка точности измерений. Вопросы, связанные с физикой диэлектриков или-строением вещества, в книге не рассматриваются.
Книга предназначается для научных работников, занимающихся измерениями комплексной диэлектрической проницаемости твердых, жидких и газообразных веществ в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Она может оказаться полезной также для преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов соответствующих высших учебных заведений.
Л. А. Брандт
ВВЕДЕНИЕ
Изучение диэлектрических свойств вещества, т. е. исследование поведения его комплексной диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты, температуры, давления, напряженности электрического поля и прочих факторов, имеет весьма важное научное и техническое значение. Эти исследования позволяют выяснить некоторые закономерности строения молекул, недоступные другим методам, а также дают возможность получить новые необходимые технике изоляционные материалы с заданными свойствами (например, малыми потерями).
Особый интерес представляет изучение полярных жидкостей и растворов в связи с тем, что здесь особо отчетливо проявляется взаимное влияние молекул друг на друга. Эти связи между молекулами и отдельными ассоциированными комплексами молекул создают дополнительные трудности для теории диэлектрической проницаемости полярных жидкостей по сравнению, например, с теорией диэлектрической проницаемости газов или сильно разбавленных растворов, где молекулы можно рассматривать изолированно.
В-настоящее время можно считать твердо установленным существование в дипольной жидкости одной широкой полосы дисперсии (или абсорбции) в соответствии с теорией Дебая. Исследование области дисперсии дает возможность определить так называемую «волну скачка», измерить величину дипольного момента молекулы и время релаксации, которые являются важными константами теории дипольной жидкости.
Для проверки теорий диэлектрической проницаемости растворов больших концентраций важное значение имеет изучение электрических свойств в зависимости от частоты, температуры и концентрации, которые дают возможность оценить отклонения свойств исследуемых растворов от идеальных (т. е. подчиняющихся закону Рауля), обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, структурой самого раствора и флуктуациями концентрации.
В случае непрозрачных жидкостей (или твердых тел), когда не могут быть использованы оптические методы, существенное значение приобретают радиофизические методы, позволяющие, например, наблюдать двойное лучепреломление в жидких кристаллах. Conor ставление значения дипольного момента с электрооптической постоянной позволяет вычислить угол, образуемый дипольным моментом и осью молекулы. В этой связи представляет интерес изучение влияния магнитного поля на диэлектрическую проницаемость жидкого кристалла. Диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла зависит от ориентации магнитного поля относительно направления напряженности электрического поля высокой частоты. Экспериментальное изучение явления имеет большое значение, поскольку теории упомянутого эффекта пока не существует.
Принципиальное значение имеет исследование диэлектрической проницаемости жидкостей при изменении их агрегатного состояния или при прохождении критических точек (например, расслоение растворов). В этих точках диэлектрическая проницаемость испытывает значительные скачкообразные изменения, связанные с резким изменением термодинамических функций, описывающих состояние жидкости.
Эффективным методом изучения кристаллической решетки является исследование диэлектрических потерь в кристаллах (как с ионной проводимостью, так и с полярными молекулами). Потери в твердых диэлектриках определяются плотностью упаковки молекул, т. е. тем, насколько плотно заполнены места минимумов потенциальной энергии и насколько эти минимумы глубоки. Если атомы недостаточно крепко связаны между собой, то возможны их колебания и вращения и, следовательно, неизбежно появление потерь. Изучение потерь, таким образом, является фундаментальной проблемой физики диэлектриков и очень важно для понимания структуры твердых тел. Отсюда вытекает задача разработки надежных методов измерения потерь и изучение зависимости tg8 от частоты и температуры в широком диапазоне их изменений, поскольку существующие методы не дают необходимой точности.
Представляется также важным изучение связи между электрическими характеристиками и механическими свойствами кристаллов. Эти исследования, устанавливающие связь между электрическими свойствами и физико-химическими данными кристаллов, находятся в настоящее время в начальной стадии своего развития.
Высокие значения диэлектрической проницаемости у кристаллов типов рутила и перовскита (сегнетоэлектрики), связанные с особым типом поляризации, обусловленной движением слабо связанных ионов (разрыхленная решетка), требуют создания новых методов измерения их свойств. Известные до сих пор методы, особенно в диапазоне сверхвысоких частот, могут быть лишь крайне осторожно и ограниченно применены для исследования сегнетоэлектриков.
Весьма актуальна проблема исследования диэлектрической проницаемости полупроводников. Трудности методики измерения диэлектрической проницаемости полупроводников связаны со сравнительно большой проводимостью этих материалов, а также с особенностями механизма их проводимости.
Использование диэлектрических измерений для целей химического анализа дает, в некоторых случаях, возможность производить более тонкие исследования по сравнению с методами инфракрасной спектроскопии. Так, например, исследование диэлектрических потерь позволяет измерять ничтожно малые концентрации карбонильных групп, измерять содержание компонентов в бинарных смесях при испарении растворов и пр.
Далеко не полный перечень указанных выше проблем, связанных с изучением молекулярного строения вещества, может быть успешно решен при наличии достаточно надежных и точных методов измерения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот и температур.
Систематическое изучение электрических свойств материалов началось приблизительно 60 лет тому назад, после того как Друде предложил метод измерения диэлектрической проницаемости на высоких частотах. Измерения, выполненные этим методом, одйако, мало точны и дают в большинстве случаев противоречивые результаты. Методика измерений диэлектриков в полях высокой частоты получила реальную базу лишь в последние 20—25 лет в связи с бурным развитием техники сверхвысоких частот.
Изучению поведения комплексной диэлектрической проницаемости посвящено большое число работ как в отечественной, так и в иностранной периодической печати. Все эти работы могут быть разбиты на три большие группы. К-первой группе относятся работы, посвященные разработке методов измерения, в которых полученные данные носят чисто иллюстративный характер. Ко второй группе принадлежат работы, связанные с изучением частотных и температурных характеристик материалов с целью получения новых сортов диэлектриков, необходимых для технических применений. К третьей группе относятся работы, в которых исследование диэлектрической проницаемости связано с проверкой тех или иных положений теории, измерением молекулярных констант, изучением молекулярной структуры и т. д.
В настоящей книге рассматриваются лишь способы измерения комплексной диэлектрической проницаемости и совершенно не затрагиваются вопросы физики диэлектриков или поведения проницаемости' и потерь в зависимости от внешних условий.
Скачать книгу "Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах". Москва, Издательство Физматгиз, 1963
|
