ГЛАВА 6. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ

6.1.1. Типы материалов

Измерения характеристик материалов на сверхвысоких частотах проводились не только для установления их возможного поведения в аппаратуре, но также и потому, что обнаруженные свойства материалов были интересны и позволяли определить их состав и молекулярную структуру. Разрабатываемые при этом методы измерений обладали многими новыми особенностями [121, 192, 311]; их развитие происходило в течение длительного периода времени [328—341, 355—362].

Свойства материалов можно выразить в значениях комплексной относительной магнитной проницаемости с тангенсом угла потерь и комплексной относительной проницаемости с тангенсом угла потерь Эти величины являются мерой поляризации, которой. подвергаются материалы в приложенном поле. Во многих средах как так и изменяются с частотой, что дает дисперсию, которая может быть двух видов. Первая является релаксацией Дебая [80], которая возникает, когда частота увеличивается до такого значения, при котором поляризации не успевают установиться полностью до момента изменения направления приложенного поля. Таким образом, относительная магнитная проницаемость и относительная диэлектрическая проницаемость, как показано на рис. 6.1, а, медленно изменяются в области дисперсии с полосой общего поглощения, центр которой находится на частоте Второй вид дисперсии связан с квантовыми переходами в атоме или молекуле с одного энергетического уровня на другой. Когда приложенная частота достигает

величины наступает резонанс, который сопровождается острым пиком поглощения, как показано на рис. 6.1, б; эти квантовые переходы исследуются в гл. 7.

Из рассмотрения здесь выпадают материалы ферромагнитного типа, поэтому почти равно единице и здесь важно поведение материалов в электрическом поле. Относительная диэлектрическая проницаемость, или диэлектрическая постоянная, связана с поляризацией, заключающейся в относительном смещении положительных и отрицательных зарядов; рассматриваемый механизм потерь обязан своим происхождением релаксационным процессам.

Рис. 6.1. Дисперсия и поглощение в диэлектрических средах.

(Частота дана в логарифмическом масштабе).

Если диэлектрические потери можно выразить как электропроводность

то

По-иному поведение материала можно выразить в значениях комплексного показателя преломления составляющие которого удовлетворяют соотношениям:

Простейшими диэлектриками являются те, в которых поляризация заключается в смещении электронов относительно соответствующих им ядер; при этом процесс обладает характеристическими частотами, лежащими обычно в оптическом диапазоне. Такими неполярными материалами являются материалы, в которых все атомы одного вида, например углеводороды и вещества, подобные

представляющие собой высокосимметричные структуры. Сравнительная простота поляризации этих материалов объясняется тем, что изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры и давления происходит в соответствии с соотношением Клаузиуса — Мосотти [52]. Таким образом, молекулярная поляризация определяется выражением

где плотность является для данного материала постоянной, не зависящей от его физического состояния. Для таких материалов должен бы равняться нулю, а диэлектрическая проницаемость — не зависеть от частоты. Другие материалы дают дополнительную поляризацию, включающую упругое смещение различных ядер относительно друг друга с характеристическими частотами, лежащими в инфракрасной области. Существуют, наконец, материалы, в которых смещение происходит от изменения ориентации дипольных групп атомов, образующих характерную часть структуры. На эту ориентацию заметное влияние оказывает тепловое возбуждение, и соответствующие диэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Простейшие случаи этого типа — те материалы, в которых дпполями являются молекулы с несимметричной структурой и которые имеют поэтому постоянный дипольныи момент [173].

Относительная диэлектрическая проницаемость идеального полярного диэлектрика выражается через время релаксации соотношением

где статическая диэлектрическая проницаемость; значение диэлектрической проницаемости на верхней частоте области дипольной дисперсии. Распределение времени релаксации, связанное с наблюдаемым пиком и изменением в некоторой области частот, часто представляется [67] графиком зависимости от Диаграмма времени релаксации представляет собой полуокружность, пересекающую ось в предельных точках и Для более широких пиков диаграмма становится дугойокружности, и если угол между радиусом, проведенным через предельное значение и осью равен то выражение в уравнении (6.8) имеет показатель Параметр является мерой распределения постоянных времени вокруг центрального значения При современном подходе [95] к проблеме дипольной релаксации исходят из предположения, что диполь вращается между двумя состояниями равновесия, отделенными энергетическим потенциальным барьером. Если величина этого барьера есть то время релаксации, рассматриваемое как мера вероятности перехода, дается выражением

где А — постоянная.

Описаны многочисленные методы измерений с точки зрения теории [140, 154, 197] и в практических деталях [170, 182]. Различные неполярные, полярные и дипольные диэлектрики могут существовать в виде газов, жидкостей [51, 171, 248] или твердых тел [109, 247], а также могут обладать высокими [292], средними или малыми потерями; измерения могут проводиться в широком диапазоне температур [5, 39, 40, 187]. Используемые методы можно разделить на методы измерений в свободном пространстве, в линии передачи и в объемном резонаторе.