6.2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

6.2.1. Газы

Методы, используемые для абсолютного определения диэлектрических свойств газов, обычно включают измерение условия резонанса для круглого резонатора с колебаниями вида когда резонатор заполнен газом и когда откачен. Поскольку газ занимает область, где накоплена и электрическая и магнитная энергия, изменение резонанса зависит не только от диэлектрической проницаемости, но и от магнитной; следовательно, при вычислении одной из этих величин другая должна предполагаться известной. Так как равны приблизительно единице, то

Измерения [87] показывают, что значение равно для воздуха 0,4, для кислорода 1,9, а для большинства остальных газов и водяных паров оно равно примерно нулю. С целью определения этого изменения резонанса было разработано несколько технических приемов.

На частоте показатель цреломления выводился [202] из соотношения резонансных длин резонатора, когда он откачен и когда заполнен газом. Несмотря на то, что небольшие погрешности, вызванные дрейфом частоты и температуры, можно уменьшить, беря среднее от нескольких пар отсчетов, такие простые методы [135] отличаются, вообще говоря, недостаточной точностью. Рассматриваемые небольшие изменения могут быть определены лучше всего из наблюдений за резонансной частотой. Если угловые резонансные частоты резонатора, откаченного и заполненного газом, то

При методе [73] непрерывных колебаний на частоте два резонатора контролируют частоты генераторов и измеряется

изменение частоты биений гетеродина, вызванное поступлением газа в один из этих резонаторов. Эссен и Фрум [87, 88] добились на частоте 24 Ггц повышения точности благодаря замене частоты одного из стабилизированных генераторов на высшую гармонику точного эталонного кварцевого генератора. Единственный резонатор был сконструирован из инвара и покрыт изнутри серебром, а передвигаемый с помощью микрометра аксиальный поршень обеспечивал калиброванную регулировку настройки на частоте Для того чтобы повысить точность установки резонансной частоты, резонатор помещался в плечо волноводного моста. Этот метод до некоторой степени сочетает измерение частоты и длины, и общая точность соответствует неопределенности измерения частоты до

В методе частотной модуляции, разработанном [30,33] для частоты снова применялись два резонатора; второй из них давал отправную точку измерений, с помощью которой можно было определить изменение частоты и ширины резонансной кривой газонаполненного резонатора. Это достигалось применением пилообразной развертки осциллографа для модуляции частоты клистронного генератора, питающего оба резонатора. Расстояние между двумя откликами, показанными на экране осциллографа, измерялось путем смешивания модулируемой частоты с сигналом фиксированной частоты. Получавшаяся разностная частота подавалась на калиброванный избирательный усилитель, перестраиваемый в области для создания двух ярких маркерных пятен. Полученная чувствительность соответствовала для для

В видоизмененном методе частотной модуляции используется в сочетании с одним резонатором модулированный по амплитуде генератор стабилизированной частоты. Модулирующую частоту можно было подобрать так, чтобы на экране осциллографа получалась развертка подвижной боковой полосы, которая использовалась для изображения характеристики резонатора. Высокая чувствительность получалась при уравновешивании отраженного от резонатора сигнала с помощью мостиковой схемы, что на частоте давало точность измерения до На частоте этот метод был [143] доработан для получения точности до . В другом варианте [272, 275, 276] для отметки относительных положений и формы отклика канала измерения по сравнению с положением и формой отклика опорного канала использовалась импульсная техника. Положение импульсов, появляющихся на отметчике, можно было связать с величинами и .

Показатель преломления воздуха и его составных частей являлся предметом многих исследований, поскольку воздух является основой для измерения других газов. Скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере имеет практическое значение, поэтому были разработаны [4, 88] рефрактометры для измерения пространственных вариаций показателя преломления. Теоретически диэлектрическая проницаемость должна была бы быть независимой

от частоты в области от нуля до приблизительно первой полосы поглощения, которая находится около Величина изменяется прямо пропорционально плотности, и поэтому результаты записываются при нормальных температуре и давлении. При проведении экспериментов с сухими газами следует позаботиться об удалении водяных паров. В типичной системе [135, 143] газ проходит последовательно через следующие реагенты в соответствующих стеклянных резервуарах: хлористый кальций — концентрированная серная кислота — безводный углекислый натрий (для удаления капель кислоты) — пятиокись фосфора. Углекислый газ можно удалить из воздуха, пропуская его через трубку длиной 180 см, содержащую углекислый натрий. В сведенном виде результаты измерений на сухом воздухе, свободном от при нормальных температуре и давлении даются в табл. 6.1, а значения его основных составных частей — в табл. 6.2.

Таблица 6.1 (см. скан) Сухой воздух, свободный от при температуре 0° и давлении

Таблица 6.2 (см. скан) Составные части воздуха при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.

Водяной пар является полярным газом, поэтому его диэлектрическая проницаемость подчиняется соотношению Дебая [80]

где А представляет вклад электронной и атомной поляризаций, В — вклад постоянного электрического момента, а давление выражается в миллиметрах ртутного столба.

Измеренное [31] значение А равняется , и, следовательно, В можно найти из уравнения (6.52). Можно показать [173], что

следовательно, можно вычислить и дипольный момент Экспериментально найденные значения и для водяного пара даны в табл. 6.3.

Таблица 6.3 Водяные пары при температуре и давлении

На практике требуется знать коэффициент преломления воздуха при преобладающих условиях температуры, давления и влажности, а экспериментальные результаты в большинстве случаев удобно выражать экстраполяционной формулой. Если необходима точность порядка 1 -10-7 в широком диапазоне условий, то нужно учитывать наблюдаемые отклонения [160] от законов простых газов. Если парциальные давления сухого воздуха, углекислого газа и водяного пара, эмпирическая формула будет [224]

тогда как более точная формула [87] имеет вид

Исследовались [107, 108, 126, 158, 159, 315] также другие газы; некоторые результаты приведены в табл. 6.4. Было найдено [30,34],

что аммиак при частоте температуре 25° С н давлении имеет порядка порядка Определение свойств газов при давлениях, не являющихся чрезмерными, дает наиболее надежные величины дипольного момента свободных молекул. Эффекты давления изучались для аммиака [127] и других газов [58].

Таблица 6.4 (см. скан) Смешанные газы при температуре 0° С и давлении