Способ определения природы проводимости диэлектриков
METHOD FOR DETERMINING NATURE OF DIELECTRICS' CONDUCTION

Изобретение относится к способам определения природы проводимости диэлектриков, например, стекол.
В опубликованных информационных источниках описаны способы определения природы проводимости диэлектриков.
В работе [А.С. №395789. Способ определения природы проводимости диэлектриков. Авторы: А.А. Дешковская, Н.М. Бобкова, А.Л. Грибков, В.П. Штомпель и Л.Д. Сошин. Опубликовано 28.08.1973. Бюл. №35. МПК G01R 27/26.] описан способ определения природы проводимости диэлектриков, основанный на проверке выполнимости закона Фарадея, отличающийся тем, что через образец твердого диэлектрика пропускают электрический ток и определяют качество и количество выделившихся на электродах продуктов электролиза.
На основе первого закона Фарадея под действием электрического поля ионы перемещаются по образцу материала и выделяются на электродах, по анализу которых определяется количество перенесенных ионов.
Недостатком представленного способа является его трудоемкость: перед началом опыта наносят металлизированный слой электродов на поверхность испытуемого образца, а затем после проведения опыта снимают металлизированный слой и проводят анализ изменения содержащегося дополнительного вещества. Недостатком способа является также то, что образец подвергают дополнительному механическому и химическому воздействиям при нанесении и снятии покрытий. При нанесении и снятии металлизированных покрытий теряется масса и поэтому можно анализировать наличие вновь образовавшегося вещества в материале покрытий, но трудно точно оценивать его количество.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения природы проводимости, на основе метода Тубандта, описанный в работе [Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Учеб. Пособие. – Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та. 1979. 240 с.], в котором электрическую цепь с источником электрической энергии соединяют с металлическими пластинами, между которыми укладывают стопку трех образцов испытуемого материала и пропускают постоянный электрический ток. Под действием контактного источника энергии электрического поля заряженные частицы, перемещаясь из образца в образец, изменяют их вес в соответствии с первым законом электролиза Фарадея. После окончания эксперимента сравнивают вес образцов до начала эксперимента и после. По результатам измерений веса образцов определяют знак носителей заряда и их свойства.
Недостатком рассматриваемого способа является то, что для определения проводимости диэлектриков использован контактный источник электрической энергии, соединенный с металлизированными пластинами, к которым подводится электрический ток. При этом перемещение ионов происходит не только между образцами, но и из контактных пластин в образцы испытуемого диэлектрика, загрязняя их, что затрудняет анализ экспериментальных данных и снижает точность измерения [Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Учеб. Пособие. – Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та. 1979. С. 64]. Кроме того, в предлагаемом способе в качестве источника энергии используется только постоянный ток, что ограничивает возможности исследователей.
Целью изобретения является повышение точности определения количества перемещающихся зарядов и получение данных о проводимости диэлектриков в широком частотном диапазоне.
Это достигается тем, что заявляемый способ определения природы проводимости диэлектриков, основанный на проверке выполнимости закона Фарадея, путем пропускания электрического тока через стопку образцов испытуемого диэлектрика и определения качества и количества перемещенного вещества, отличающийся тем, что стопку образцов испытуемого диэлектрика подвергают воздействию электромагнитного излучения, направляют вектор плотности потока энергии поля вдоль оси стопки образцов испытуемого диэлектрика.
В заявляемом способе подвергают воздействию электромагнитного излучения испытуемый диэлектрик бесконтактно, а относительно направления вектора плотности потока энергии поля вдоль оси стопки образцов испытуемого диэлектрика, определяют направление движения зарядов, при этом носители заряда не выходят за пределы образцов и не добавляются из вне, нет загрязнений образцов, что улучшает чистоту эксперимента и повышает точность определения количества перемещенного вещества по сравнению с известными методами определения природы проводимости.
На фиг. 1 представлено устройство, реализующее заявляемый способ, в виде схемы одночастотной ячейки волноводного типа, на частоту 10 ГГц, для определения природы проводимости диэлектриков. На схеме указаны: 1 - генератор СВЧ с волноводным выходом 23×10 мм, излучающий в режиме непрерывных колебаний, 2 - волноводный поворот по широкой стенке (Е - уголок), 3 - волноводный вентиль, 4 - волноводная секция, 5, 6, 7 - стопка из трех полированных образцы испытуемого диэлектрика, 8 - закороченный отрезок волновода с поглотительной вставкой.
Устройство работает следующим образом.
Генератор СВЧ в режиме непрерывных колебаний 1 излучает электромагнитное поле, которое по волноводу 2 через волноводный вентиль 3 и волноводную секцию 4 направляется к стопке образцов испытуемого диэлектрика 5, 6, 7, проходит через них, а затем попадает в закороченный отрезок волновода с поглотительной вставкой 8.
Размер испытуемых образцов соответствует сечению волновода 23×10 мм, полностью перекрывая его сечение с минимальными зазорами, а поверхности соприкосновения образцов полируются, выдерживая высокую плоскопараллельность поверхностей. Выбранная схема волноводных соединений позволяет создать условия распространения электромагнитной волны в волноводе, в которых вектор плотности потока энергии поля (вектор Пойтинга) направляют вдоль оси стопки образцов испытуемого диэлектрика.
Образцы испытуемого диэлектрика перед началом эксперимента сушат в вакуумной печи, взвешивают, укладывают в стопку и вводят в волноводную секцию, стопку образцов испытуемого диэлектрика подвергают воздействию электромагнитного излучения, направляют вектор плотности потока энергии поля вдоль оси стопки образцов испытуемого диэлектрика. Волноводную секцию изолируют от внешней атмосферы радиопрозрачными диэлектрическими прокладками по стыкам между волноводными секциями, что особенно важно из-за длительного времени проведения эксперимента. После окончания эксперимента образцы извлекают из волноводной секции и взвешивают. Изменение веса образцов характеризует тип проводимости диэлектрика. Взвешивая образцы, устанавливают, какие ионы, положительные или отрицательные, являются носителями заряда и в какой степени ионная электропроводность преобладает над электронной.
С использованием волноводных линий возможно проведение исследований в широкой полосе частот от 0,3 ГГц до 200 ГГц [А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. М., Советское радио, 1966 г., 653 с.]. Так как предполагается отсутствие градиента энергии, способствующего переносу вещества в направлении, перпендикулярном вектору Пойтинга, то применение волноводных линий не снижает точность измерений.
Заряженные частицы внутри материала в переменном электромагнитном поле подвижны под действием силы Гапонова-Миллера [Демьянцева, С.М. Кузьмин, М.А. Солунин, С.А. Солунин, А.М. Солунин. О движении заряженных частиц в переменном неоднородном электрическом поле. Журнал теоретической физики. Том 82, вып. 11, 2012, с. 1-10.] в направлении, или против, вектора Пойтинга.
В нерелятивистском случае на частицу действует только сила, направленная вдоль вектора Пойтинга. Это следует из уравнения Ньютона, движения частицы в электромагнитном поле [Л.Д. Ландау, Е.М Лифшиц. Теоретическая физика: Учеб. пособ. В 10 томах. Т. 2. Теория поля. - 7-e изд. испр. – М.: Из-во Наука. 1988, 512 с.]:
,
где c - скорость света,
e - заряд частицы,
m - масса частицы,
Е и Н - электрический и магнитный вектора поля,
v - скорость частицы.
Если скорость частицы мала, частица не релятивистская и поперечная составляющая силы отсутствует, и на частицу в переменном поле действует усредненная сила (Гапонова-Миллера).
В случае релятивистских частиц движения зарядов в волноводе вдоль его оси может не наблюдается из-за возникновения поперечных сил [Р.А. Кастильо, В.П. Милантьев. Усредненные силы, действующие на релятивистскую частицу в волноводе. // Прикладная физика. 2011, №6. С. 68-73].
Скорость движения ионов в диэлектрике мала и точно не релятивистская.
Сила, действующая на носители зарядов, тем сильнее, чем больше поглощаемая ими энергия [Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Учебное пособие: Для вузов. В 5 т. Т. IV. Оптика - 3-е издание стереот. - М.,: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 559], поэтому исследуется перенос массы зарядов в различных условиях, например в полосе частот или под воздействием температур.
Для более углубленного расчета результатов эксперимента используется алгоритм, изложенный в работе [Б.М. Болотовский, А.В. Серов. Об особенностях движения заряженных нерелятивистских частиц в переменном поле. // Успехи физических наук. 1994, Том 164, №5, стр. 545-547],
В заявляемом способе определения проводимости диэлектриков возможно проведение измерений без использования направляющих линий, например, в свободном пространстве, без контакта образцов исследуемого диэлектрика по торцевым границам.
В результате экспериментов с использованием серии ячеек, настроенных на разные частоты, получают зависимость проводимости исследуемого диэлектрика в полосе частот.
Для определения зависимости изменения проводимости исследуемого диэлектрика от температуры секцию с образцами помещают в печь.
Заявляемый способ определения природы проводимости диэлектриков включает необходимые признаки, обеспечивающие проведение всех технологических операций процесса измерения, и отличается от известных аналогов более высокой точностью измерений.
Таким образом, достигнут положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерений проводимости диэлектриков в широком диапазоне частот переменного электромагнитного поля.