11.4. Методы измерения диэлектрических свойств

Диэлектриками являются неионизированные газы, а также жидкости и твердые тела, через которые проникает электрическое поле, но которые плохо проводят электрический ток. Действие электрического поля на диэлектрики сводится к перераспределению электронной плотности в них. Вещества, в которых проникновения электронов в зону проводимости не происходит, ведут себя как изоляторы.

Диэлектрические измерения – определение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь – могут применяться в аналитической химии, например, для определения содержания влаги, чистоты соединений, анализа бинарных и других смесей и т. д.

Диэлектрическая проницаемость – величина, характеризующая диэлектрические свойства среды, ее реакцию на электрическое поле.

Относительная диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) среды (ε) – безразмерная величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Она связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз взаимодействие между зарядами в однородной среде меньше, чем в вакууме.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость (ε_a) – величина, показывающая зависимость электрической индукции от напряженности электрического поля (εε₀, где ε₀ – электрическая постоянная, Ф/м).

Диэлектрическая проницаемость является важной характеристикой пищевых продуктов. Измеряя ее, можно получить большую информацию о качестве продукта, оптимальном способе переработки и его хра- нении. Например, диэлектрическая проницаемость мяса существенно зависит от его жирности. С ростом жирности уменьшается влажность и величина e. Исследование диэлектрической проницаемости молока различной жирности показало, что с ростом жирности e линейно убы- вает. Таким образом, по величине диэлектрической проницаемости можно определить жирность молока, а также установить возможные сроки и температурный режим хранения фруктов и овощей.

Диэлектрическая восприимчивость вещества – физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость (χe) – коэффициент пропорциональности между поляризованностью (P) среды (дипольный момент единицы объема) и напряженностью (E) внешнего электрического поля:

P = χeE. (11.2)

Диэлектрическая восприимчивость – величина безразмерная, положительная и для большинства диэлектриков составляет несколько единиц. Однако для некоторых диэлектриков она существенно больше (для спирта χe  25, для воды χe  80). В неполярных диэлектриках диэлектрическая восприимчивость не зависит от температуры, в полярных обратно пропорциональна температуре. В полярном диэлектрике помимо ориентационной поляризации наблюдается и электронная поляризация.

Существуют различные методы исследования диэлектрических свойств веществ: резонансные, волноводные, оптические, калориметрические, пондеромоторные и т. д.

При измерении диэлектрических свойств твердых тел применяют две основные методики измерений:

·проба вводится в измерительный участок и располагается между электродами определенного геометрического размера;

·на пробу наносятся электроды соответствующих размеров.

При измерениях по первой методике необходимо ограничивать и контролировать прижимные усилия, строго соблюдать плоскопараллельность пробы, исключать зазоры между электродами и образцом. При использовании второго метода электроды наносятся непосредственно на образец с помощью проводящих паст методами вжигания, электрохимическими методами или методами вакуумного осаждения. Применение того или иного метода зависит от химических свойств исследуемого образца. Достаточно универсальным средством является нанесение на образец тонкой металлической фольги (золотой или алюминиевой).

В случае твердых диэлектриков измерения часто сводятся к измерению емкости плоского электрического конденсатора, между пластинами которого помещен исследуемый диэлектрик. В случае измерения диэлектрической проницаемости тонких образцов (например, при измерениях в бумажной или текстильной промышленности) можно использовать частично заполненный конденсатор.

Методы измерения емкости и диэлектрических потерь различны для разных частот электрического поля. В постоянном поле и при низких частотах (десятые доли герц) емкость, как правило, определяют путем измерений зарядного или разрядного токов конденсатора с помощью баллистического гальванометра (рисунок 11.4).

Рисунок 11.4 – Измерения диэлектрической проницаемости при помощи баллистического гальванометра (G)

В высокочастотной области (от 105 до 108 Гц) для измерения емкости (С_ε) и диэлектрической проницаемости (ε) применяют главным образом резонансные методы (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 – Измерения емкости и диэлектрической проницаемости резонансным методом

Примечание – Катушка индуктивности (L) и образцовый конденсатор (С) образуют замкнутый контур, слабо связанный с генератором переменного тока.

Колебательный контур, содержащий образцовый конденсатор, настраивается в резонанс, и определяется соответствующая резонансу величина емкости (С'). Затем параллельно образцовому конденсатору присоединяют конденсатор с диэлектриком (С_ε), и контур снова настраивается в резонанс. Во втором случае емкость (С") образцового конденсатора будет меньше. Емкость конденсатора, заполненного диэлектриком (C_ε), определяется по формуле

C_ε = C' – С". (11.3)

Различные резонансные методы отличаются друг от друга по способу определения тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ). В методе замещения диэлектрик заменяется эквивалентной схемой, состоящей из емкости и сопротивления. Подбирается такое сопротивление (R), которое, будучи включено последовательно или параллельно образцовому конденсатору (С), емкость которого берется равной емкости диэлектрика (С_ε), дает такой же резонансный ток в контуре, как и образец диэлектрика.

Метод расстройки контура основан на том, что ширина резонансной кривой контура определяется его добротностью (Q), связанной с тангенсом угла диэлектрических потерь соотношением:

(11.4)

Емкость и диэлектрические потери определяют также методом куметра. В данной области частот можно применять метод биений.

В области сверхвысоких частот от 108 до 1 011 Гц диэлектрические измерения основаны на использовании объемных резонаторов и радиоволноводов, а также на закономерностях распространения электромагнитных волн в свободном пространстве. В случае газообразных диэлектриков измеряют резонансную частоту (ω₀) и добротность (Q₀) объемного резонатора (рисунок 11.6), когда в нем создан вакуум, и те же величины (ω_ε) и (Q_ε), когда он целиком заполнен диэлектриком.

Рисунок 11.6 – Волноводные установки для измерения ε и tg δ газов

В случае жидких и твердых диэлектриков, если они целиком заполняют резонатор, получаются гораздо большие изменения резонансной частоты и добротности. Если диэлектрические потери велики, то добротность резонатора становится весьма малой величиной. Поэтому применяют частичное заполнение резонатора диэлектриком, чаще всего имеющим форму диска или стержня.

Другой метод диэлектрических измерений в области СВЧ состоит в том, что в радиоволноводе устанавливается бегущая или стоячая электромагнитные волны. Существуют два основных метода измерения ε и tg δ с помощью волновода. Первый метод основан на наблюдении картины стоячих волн в волноводе, нагруженном известным сопротивлением; второй – на наблюдении поглощения волн, проходящих через диэлектрик.

Для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей используются ячейки в виде плоских или цилиндрических конденсаторов. Измерительные ячейки должны термостатироваться и калиброваться эталонными жидкостями с точно известной диэлектрической проницаемостью. Наиболее простым методом калибровки является метод построения калибровочной кривой в координатах «диэлектрическая проницаемость – емкость ячейки».

Измерение диэлектрической проницаемости порошков проводится двумя методами. Метод погружения основан на измерении изменения диэлектрической проницаемости после внесения исследуемого порошка в ряд жидких смесей с известной диэлектрической проницаемостью до достижения равенства диэлектрической проницаемости порошка и жидкости, в которую он погружается. В качестве измерительной ячейки используется цилиндрический конденсатор. Метод прямого измерения основан на вычислении диэлектрической проницаемости порошка по измеренной диэлектрической проницаемости гетерогенной смеси порошок – воздух.

Методы измерения удельной электропроводности диэлектриков (σ)в постоянном поле существенно не отличаются от аналогичных методов для металлов и полупроводников.