Критерий экспериментального выявления квазиплазменных колебаний при изучении электрофизических свойств мерзлых дисперсных систем Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.341

КОПОСОВ Геннадий Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, доцент, профессор кафедры общей физики Поморского государственного университета имениМ.В. Ломоносова. Автор более 150 научных публикаций, в т.ч. одной монографии и двух учебных пособий

ТЯГУНИН Анатолий Вячеславович, специалист по УМРI категории кафедры общей физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 14 научных публикаций

КРИТЕРИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ВЫЯВЛЕНИЯ

КВАЗИПЛАЗМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МЕРЗЛЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

На основе проведенных исследований электрофизических свойств механической смеси «гранулированный лед -песок» с различным соотношением компонентов и теоретического анализа предложена схема выявления квазиплазменных колебаний во влагосодержащих дисперсных средах.

Механическая смесь «гранулированный лед - песок», квазиплазманные колебания, диэлькометрия, гранулированный лед

Известно, что величина диэлектрической проницаемости для плазмы £ = 1 ~о2р! о2 , где со - частота собственных колебаний, о р - частота плазменных колебаний, может быть отрицательной [1]. Первые сведения о плазменных частотах во влагосодержащих дисперсных средах (ВДС) появились в работе [2]. Однако их оценка зачастую осуществляется только теоретическим путем. В данной работе представлен критерий, используя который можно оценить роль плазменных колебаний исходя из экспериментальных данных по электрофизическим свойствам ВДС.

В рамках исследований, проводимых в лаборатории физики дисперсных систем, было обнаружено наличие отрицательного вклада в

© Копосов Г.Д., Тягунин А.В., 2011

диэлектрическую проницаемость тонких пленок связанной воды в диэлектрические свойства ВДС на основе кварца [3, 4].

В работах [5-7] было указано, что в механической смеси «гранулированный лед - песок» наблюдается переход квазижидкого слоя с поверхности гранул льда на гранулы песка, что приводит к образованию тонкой пленки связанной воды на их поверхности, которая также оказывает отрицательный вклад в диэлектрическую проницаемость £ [6].

Основной вклад в электрофизические свойства льда дают ориентационные L- и D+ дефекты. Поведение их подобно ионам. Поэтому электрофизические свойства можно объяснить на основе теории ионной релаксационной поляризации [8, 9]. В соответствии с этой теорией

2 о2

q о п0 12кТ є

(1)

где £3 и £ - статическая и высокочастотная диэлектрическая проницаемость соответственно, § - длина прыжка иона, П0 - концентрация ионов, q - эффективный заряд ориентационных дефектов (для льда q = 0,38е[9]). Соответственно для электрической проводимости

О»-О =

2 <?2 д о По

12кТт„

(2)

где ах и а3 - высокочастотная и низкочастотная удельная электрическая проводимость соответственно, Та - время релаксации электрической проводимости.

т А =(£* - £»)£0

Тогда А = ■

(о -о„ К

V » Л / о

= 1

(3)

Величины є3, є»,

То , о» , о3 являются

характеристическими параметрами в дебаевс-кой частотной дисперсии.

Заметим, что формулу, аналогичную формуле (3), можно получить на основании формул Дебая:

о

о

О = о

1 + (ОКО )

Є2

(єЛ - є»)

1 + (®^є)2

(0Єп

(4),

(5)

и соотношения а = £0о£2. При этом учтено различие Та и Т£ , наблюдаемое в эксперименте.

После несложных преобразований получаем:

є0 (є8 -є») = 1 + (аТє)2 К (О»-О К 1 + (ШТо)2 К

. (6)

Уравнение (6) при о имеет вид:

єо (єл - є»)

(О»- О )Ко К

(7)

є0 (єЛ - є») = К

(°»-°5 )Ко Кє

(8)

Резюмируя (7) и (8) можем заключить, что значение

А ■■

є0 (є8 - є») (О»-ОЛ )Ко

(9)

должно находиться между

А = Та /Т£ (® ^ 0)

и А2 = Т£ /Та (о^“). (10)

Из рис. 1 видно, что значения А, полученные из экспериментальных результатов, действительно лежат в пределах между значениями А1 и А2.

Рис. 1. Температурная зависимость параметра А для гранулированного льда

На рис. 2 представлены температурные зависимости значений А, полученные на основе рассчитанных параметров є3,є»,хо,о»,о3 по формуле (9), а также температурные зависимости значений А1 и А2, рассчитанные по формулам (10), для механической смеси «гранулированный лед - песок» с различным соотношением компонент.

Из рисунка видно, что значения расчетного параметра А при концентрации 9:1 лежат выше значений А а при соотношении 2:8 в исследу-

1СН

1-

Гранулированный лед - песок 9:1

■-А2 • — А1 *-А

Т, к

0,1

150 180 210 240 270

Рис. 2. Температурная зависимость параметра А для механической смеси «гранулированный лед - песок» при соотношениях компонент 9:1 и 2:8

емой системе значения А становятся ниже предельных значений А1.

Появление заниженных значений А можно связать с отрицательным вкладом квазиплаз-менных колебаний.

Согласно [10] для вклада свободных носителей в диэлектрическую проницаемость:

є = є„

1 -

2 2 Л _°1Г_

1 + оК

Из уравнения (11) имеем:

єл = є»(1 - о1т2 ) и

(11)

(12)

Тогда из уравнений (1 2) следует, что

є» = -о2т2є'. Это дает изменение АЛ:

2 2

АА = _0рМ»^

О К

(13)

В формуле (13) необходимо учесть, что квазиплазменнные колебания наблюдаются не во всем объеме, а в относительной части V. Получаем

пр '

АА

2 2 ютєєп

р є » 0

(О»-О8 )Кс

пр

(14)

Из уравнения (14) можно оценить частоты квазиплазменных колебаний

V о =

пр р

(-АА)(с»-Ол К . (15)

На рис. 3 представлены температурные

зависимости '®р = /(Т) для различных

объемных соотношений механической смеси «гранулированный лед - песок».

Используя результаты определения параметров £3,£,та,т£,а,а3 и АА получаем, что

104с-1. Если V = 0,01 (1%), то для

V • о

пр р

пр -\5 „-1

Ор получаем ор = 10 с “ .

Заключение. Введенный параметр А позволяет, основываясь на экспериментальных результатах по определению характеристических параметров дебаевской частотной дисперсии, выявить присутствие плазменных колебаний.

є»є0Кє

Рис. 3. Температурные зависимости значений ква-зиплазменной частоты для различных объемных соотношений механической смеси «гранулированный лед - песок»

Список литературы

1. Веселаго В.Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // УФН. 2003. Т. 173. С. 790-794.

2. Ильин В.А., КопосовД.Г., КопосовГ.Д. Особенности температурно-влажностных зависимостей диэлектрической проницаемости льда в мерзлой ВДС на основе порошка кварца в низкочастотных электрических полях // Физика диэлектриков: материалы XI междунар. конф., Санкт-Петербург, 3-7 июня 2008 года. Т. 1. СПб., 2008. С. 363-365.

3. Копосов Д.Г., Копосов Г.Д. Анализ влажностных зависимостей диэлектрической проницаемости мерзлой дисперсной среды на основе мелкозернистого кварца // Физ. вестн. Помор. ун-та: сб. науч. тр. Вып. 6. 2007. С. 100-110.

4. КопосовГ.Д., БардюгД.Ю., Ешевский О.Ю. Особенности электрофизических свойств пленок связанной воды во влагосодержащих дисперсных средах в области отрицательных температур // Тонкие пленки и наноструктуры: материалы междунар. науч. конф., Москва, 7-10 сентября 2004 года. Ч. 1. М., 2004. С. 156-158.

5. Тягунин А.В. Динамика формирования пленки воды на поверхности льда // Физ. вестн. Помор. ун-та: сб. науч. тр. Вып. 8. 2009. С. 27-35.

6. Копосов Г.Д., Тягунин А.В. Диэлькометрия механических смесей гранулированный лед - песок на частотах 0,1, 1 и 10 кГц // Вестн. Помор. ун-та. Сер.: Естеств. науки. 2010. Вып. 3. С. 101-108.

7. Копосов Г.Д., Тягунин А. В. Поведение водных пленок воды на гранулах льда в калориметрических исследованиях // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах: материалы V Всерос. конф., Воронеж, 3-8 октября 2010 года. Т. 1. С. 362-366.

8. ПавловП.В.,ХохловА.Ф. Физика твердого тела. М., 2000.

9. ТонконоговМ.П., ВекслерВ.А., ОрловаЕ.Ф. Квантовая поляризация и диэлектрические потери при низких температурах // Изв. вузов. Физика. 1984. N° 2. С. 6-9

10. Степанов Н.П., Грабов В.М. Взаимодействие электромагнитного излучения с кристаллами висмута и сплавов висмут - сурьма в области плазменных эффектов: моногр. СПб., 2003.

Koposov Gennady, Tyagunin Anatoly

CRITERION OF EXPERIMENTAL REVEALING OF QUASIPLASMA FLUCTUATIONS IN STUDYING ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF FROZEN DISPERSE SYSTEMS

Based on the research of the electrophysical properties of the “granulated ice - sand” mechanical mix with a various correlation of components and on the theoretical analysis the scheme of revealing quasiplasma fluctuations in the water containing disperse systems is offered.

Контактная информация: e-mail: [email protected]

Рецензент - Горин С.В., доктор технических наук, профессор, директор «Севмашвтуза» филиала Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (г. Северодвинск)