Научная статья на тему 'Диэлькометрия механических смесей «Гранулированный лед песок» на частотах 0,1; 1 и 10 кГц'

Диэлькометрия механических смесей «Гранулированный лед песок» на частотах 0,1; 1 и 10 кГц Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
194
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Arctic Environmental Research
Область наук
Ключевые слова
ГРАНУЛИРОВАННЫЙ ЛЕД / ПЕСОК / ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ / МОДЕЛИ СМЕСЕЙ / ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ / КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Копосов Геннадий Дмитриевич, Тягунин Анатолий Вячеславович

В диапазоне температур 77-270К исследовались температурные зависимости компонентов комплексной диэлектрической проницаемости смеси «гранулированный лед песок» при различных соотношениях льда и песка. Обнаружены аномалии в величинах и концентрационных зависимостях относительной диэлектрической проницаемости. Проведена обработка результатов на основе трех моделей для смесей. Дополнительными экспериментами установлен факт перехода тонкой пленки воды с гранул льда на гранулы песка.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Копосов Геннадий Дмитриевич, Тягунин Анатолий Вячеславович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DIELECTROMETRY OF MECHANICAL MIXTURES «GRANULATED ICE SAND» AT FREQUENCIES 0,1; 1 AND 10 KHZ

Within the range of temperatures 77-270К the temperature dependences of the complex dielectric permeability components of the mixture granulated ice sand are studied at various proportions of ice and sand. The anomalies in sizes and concentration dependences of relative dielectric permeability are discovered. The results are processed on the basis of 3 models for mixtures. The fact of transition of thin water film from ice granules to sand granules is established with the help of additional experiments.

Текст научной работы на тему «Диэлькометрия механических смесей «Гранулированный лед песок» на частотах 0,1; 1 и 10 кГц»

УДК 551.341

КОПОСОВ Геннадий Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой общей физики Поморского государственного университета имениМ.В. Ломоносова. Автор 131 научной публикации, 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 8 научных публикаций

ДИЭЛЬКОМЕТРИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ «.ГРАНУЛИРОВАННЫЙ ЛЕД - ПЕСОК» НА ЧАСТОТАХ 0,1; 1 И 10 КГЦ

В диапазоне температур 77-270К исследовались температурные зависимости компонентов комплексной диэлектрической проницаемости смеси «гранулированный лед - песок» при различных соотношениях льда и песка. Обнаружены аномалии в величинах и концентрационных зависимостях относительной диэлектрической проницаемости. Проведена обработка результатов на основе трех моделей для смесей. Дополнительными экспериментами установлен факт перехода тонкой пленки воды с гранул льда на гранулы песка.

Гранулированный лед, песок, диэлектрическая проницаемость, модели смесей, температурная зависимость, концентрационная зависимость

Обстоятельный обзор исследований электрофизических свойств мерзлых влагосодержащих дисперсных сред (ВДС) представлен в монографии А.Д. Фролова [1]. В работе [2] одним из авторов настоящей статьи сформулированы недостатки ранее проводившихся исследований мерзлых ВДС: зауженность температурного интервала исследований (0 ч ^ 80оС), фрагментарность по набору влажностей. Указанные недостатки не позволяют использовать ранее полученные результаты как для теоретического анализа, так и для сравнительного анализа. К указанным недостаткам следует отнести ориентированность на природные материалы (пески, глины) в выборе матрицы дисперсных сред. Электрофизические свойства мерзлых ВДС в значительной мере определяются свойствами льда и воды. Физика льда продолжает привлекать внимание исследовате-

лей. Анализ ссылок в монографии В.Ф. Петренко и РВ. Витворда [3] показал наличие возрастающего интереса к физике льда. В период 1955-1960 годов значимыми признаны 35 публикаций. Далее рекордными годами были: 1969

- 25 публикаций, 1973 - 20, 1978 - 33, 1982 -32, 1987 - 39, 1992 - 37, 1997 - 53.

Первая теория электрофизических свойств льда, базирующаяся на динамике ионных (Н3О+ и ОН-) и ориентационных (Ь и D) дефектов, была предложена Жаккардом [4, 5]. Значительное продвижение в моделировании электрофизических свойств льда было сделано М.П. Тон-коноговым [6].

Единой теории электрофизических свойств влагосодержащих дисперсных сред в настоящее время не существует. Трудности на пути к созданию такой теории связаны с нерешенностью ряда проблем. Так, для диэлектрической

проницаемости неясна специфика свойств льда, находящегося в дисперсной фазе, нет однозначного ответа на вопросы специфики диэлектрической проницаемости связанной воды, отсутствия единой теории диэлектрической проницаемости смесей, многокомпонентности ВДС.

В работе [7] авторы представляют мерзлую ВДС как совокупность гранул матричной системы, покрытых пленкой связанной воды, гранул льда из свободной воды и пузырьков воздуха. Замысел исследования, результаты которого представлены в настоящей статье, был связан с необходимостью получения ответа на специфику проявления диэлектрических свойств льда, находящегося в дисперсной фазе. Таковым был выбран гранулированный, мелкодисперсный лед. Анализ литературы показал, что ранее исследования гранулированного или диспергированного льда не проводились. Вторая часть замысла была связана с возможностью выбора наиболее приемлемой формулы для диэлектрической проницаемости смесей. Поэтому объектом исследования выбрали механическую смесь гранулированного льда и песка с варьированием объемных соотношений от чистого песка до чистого гранулированного льда. Сведения об исследовании диэлектрической проницаемости, как, впрочем, и других свойств механических смесей гранулированного льда, в научной литературе отсутствуют.

Из ожидаемых эффектов, наблюдаемых в механических смесях, наиболее интересен пер-коляционный переход от свойств песка к свойствам льда.

С практической точки зрения, исследование подобных систем позволяет смоделировать земную поверхность, когда ветер перемешивает снег и частицы грунта. Знание об электрофизических свойствах смесей «снег - песок» становится важным для расшифровки сигналов СВЧ-зонди-рования земной поверхности в условиях ветровой эрозии почв при отрицательных температурах

Методика эксперимента. Приготовление смесей осуществлялось при температурах -8 ^ -10 оС в специальной термокамере. Гранулированный лед получался осаждением распыленной воды в жидкий азот. Размеры гранул

льда составляли 10-90 мкм. Песок дробился до тех же размеров.

Исследовались смеси при начальных объемных соотношениях компонентов «лед -песок» 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8, 1:9.

Измерялись с использованием измерителя иммитанса Е7-14 емкость (С), проводимость ^) и добротность ^) измерительной ячейки, заполненной исследуемой смесью. Измерения осуществлялись в диапазоне температур 77-270К.

После измерения определялась масса смеси, а после высушивания находилась масса песка. Это позволяло определить относительные объемы песка и льда в смеси:

т

т„

V

и л

р •V “ " р -V ■

Г^п яч Г л яч

Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости рассчитывалась по формуле:

£1 =

(С - с ) • а а

V зя пяУ зя I :

+-

а

где индексы «зя» и «пя» относятся соответственно к заполненной и пустой ячейке.

Мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости находилась:

а

с

\

\ зя ^ пя /

Экспериментальные результаты. На

рис. 1 а, б представлены температурные зависимости действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости (£ = £1 - js2) на частоте 1 кГц и при различных соотношениях объемов льда и песка при составлении смеси.

На рис. 2 а, б приведены аналогичные зависимости для действительной £1 и мнимой £2 части комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 10 кГц.

На рис. 3 приведены зависимости действительной части комплексной диэлектрической

а б

Рис. 1. Температурные зависимости действительной (а) и мнимой (б) части комплексной диэлектрической проницаемости для различных соотношений льда и песка в смеси на частоте 1 кГц

а

б

Рис. 2. Температурные зависимости действительной (а) и мнимой (б) части комплексной диэлектрической проницаемости для различных соотношений льда и песка в смеси на частоте 10 кГц

проницаемости от соотношения смешиваемых объемов «лед - песок» при различных температурах.

Температурные зависимости величин £ и

Вместе с тем следует отметить ряд особенностей.

• В области низких температур (Т<200К) наблюдаемые значения £ имеют промежуточ-

£2 подобны тем, что наблюдаются для диспер- ные значения между £ для льда и песка. гированного и объемного льда [8]. Возрастание

£1 и £2 при Т>150К связано с возбуждением релаксаторов во льду [6].

• Зависимость £ от соотношения компонентов в смеси немонотонная (при соотношении «лед - песок» 6:4 наблюдается максимум).

Рис. 3. Зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от соотношения смешиваемых объемов «лед-песок» при различных температурах

• При увеличении содержания льда в смеси после соотношения 6:4 наблюдается уменьшение £ при Т<200К до значений близких к 1.

В работе [6] была высказана гипотеза о том, что ответственной за низкие значения £ для льда является тонкая пленка связанной воды, покрывающей гранулы песка. Возникновение этой пленки связывалось с переходом водной пленки, покрывающей гранулы льда, на гранулы песка.

Для подтверждения гипотезы о существовании водной пленки на гранулах льда было проведено 3 серии специальных экспериментов по адсорбции воды промокательной бумагой при температуре -10 оС. Порция порошка из гранул льда последовательно пересыпалась на тонкие листы промокательной бумаги. После каждой операции пересыпания лист впитывал 20,6±0,6 мг воды. В последней серии из 70 операций удалось адсорбировать 1445 мг, что составляло 42% от исходной массы порошка. Используя эти результаты можно оценить толщину пленки на поверхности гранул. Она оказалась равной d ~ 50 нм.

Следует отметить, что теоретические оценки квазижидкого слоя воды, проведенные в [10, 11] дают существенно меньшие значения, около 3 нм. В работе же [12] авторы наблюдали эффект полного восстановления поверхности льда после укола при измерениях микротвердо-

сти. В этой же работе приводится значение для толщины квазижидкого слоя на поверхности льда 100 нм. Сказанное свидетельствует о том, что существование водной пленки на поверхности льда является как теоретическим, так и экспериментальным фактом. Ранее об этом же утверждалось в работе [1]. В работе [13] авторы на основе ИК-радиометрии оценили время формирования пленки в 100 с.

Второй дополнительный эксперимент был призван подтвердить переход воды на гранулы льда. Такой переход на гидрофильные гранулы песка должен сопровождаться выделением поверхностной энергии. В тепловой камере при температуре -10 оС в ячейке осуществлялась послойная засыпка гранулированного льда и песка. При этом наблюдалось повышение температуры ячейки на 2-3 градуса.

Обработка результатов. На основании полученных результатов о существовании и трансляции квазижидкого слоя на и по поверхности гранулы льда может быть выдвинута модель механической смеси песка и гранулированного льда: гранулы песка, покрытые пленкой связанной воды (частицы) + гранулы льда, покрытые квазижидким слоем + воздух. Относительное объемное содержание компонентов

V,

характеризуется: V =— - для частиц,

К

V

К,

V

для гранулированного льда и

Ув3 ~ ~К~ ~ для воздуха. При этом выполняется: 1 = уч +ул +Увз.

Методика обработки базировалась на использовании формул смесей для диэлектрической проницаемости.

В варианте 1 использовалась рефракционная модель [14] согласно которой

1/2

-1 = «2 - 1К + -1>.

(1)

где Єч и Уч - диэлектрическая проницаемость и относительный объем, занимаемый гранулами песка, покрытыми пленкой связанной воды, а Ел и Ул - подобные величины для

льда. В формуле (1) отражена простая физическая сущность - оптическая длина пути электромагнитной волны в исследуемой системе равна сумме оптических длин путей в компонентах дисперсной системы.

Полагая выполнимость приведенного соотношения (1) в комплексной форме для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, получаем систему уравнений:

/1 = + /V» и /2 = /2^Ч + /2,Уп ,

в которой

Для нахождения £1л и £2л в [5] использовались полиноминальные представления / и /2 от Vл , полученных на основе экспериментальных результатов, с одной стороны, и предполагаемые зависимости /1л и /2л от Vл , с другой.

В результате вычислений получены значения £1л. Зависимости £1л от Vл представлена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от относительного объема в пересчете на гранулы льда на частоте 1 кГц. Первый вариант расчета

Вместе с тем несомненный интерес представляет иная постановка организации расчетов, когда за основу берется зависимость ^ и ^ от Уч. Итог такого расчета представлен на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от относительного объема в пересчете на гранулы песка на частоте 1 кГц. Первый вариант расчета

Сравнение результатов, полученных по обоим вариантам расчета, показывает, что получающиеся числовые значения как для льда (рис. 4), так и для частиц (рис. 5) меньше, чем значения £, наблюдаемые для однокомпонентной системы - песок или гранулированный лед. Это позволяет высказать предположение о появлении фазы в системе с отрицательными значениями £.

В работе [9] при исследовании влагосодержащего мелкозернистого кварца наблюдалось уменьшение £ при добавлении воды. Авторам при расчете с использованием подобной методики были получены отрицательные значения для £ связанной воды, покрывающей гранулы кварца. Вполне естественно ожидать подобное и в наших экспериментах. Но тогда естественен вопрос о происхождении воды, покрывающей гранулы песка.

С учетом обоснования механизма возникновения пленки воды на гранулах песка, возможно изменение схемы расчета. Можно полагать, что гранулы льда имеют одинаковые характеристи-

ки как при наличии песка, так и при его отсутствии. Тогда для гранул песка, покрытых плен-

„ ч У1 _ / /1лV'л

кой воды (частиц) получаем: J\ч — .

-С 'ч

Величину /1л можно определить, используя

значения /0, полученные по результатам измерений гранулированного льда: /¡° = /1', где у°л - объемная доля льда в дисперсном гранулиро -

т , / - (/»л

ванном льду. Тогда .

ч

Результаты расчета по этому варианту представлены на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от относительного объема в пересчете на гранулы песка на частоте 1 кГц. Дополнительный расчет

В варианте 2 использовалась формула смесей

1 = 'ч , 'л ,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- = — + — + — . (2)

£ £ч £п £ У ’

Эта формула получается в модели параллельного расположения слоев с электродами измерительного конденсатора. Следует заметить, что подобная формула получается при предположении, что эффективная поляризован-ность р = £ р '' .

После представления (2) в комплексной форме и учета того, что для гранулированного

льда є0

получаем для действитель-

ной и комплексной компонент диэлектрической проницаемости:

(

2 2 є1 + є2

Л

V

О л

[(єГгл )2 + (єОгл )2] ' V.

V

■ = А = Уц 'єє

2 2 є1ч + є2ч

~2 . _2 / О \2 . / О \ 2

є1 + є2 (є1гл ) + (є2гл)

= В =

V є

ч 2ч 2 2 є1ч + є2ч

(3)

(4)

Рассчитав левые части в уравнениях (3) и (4) получим значения А и В и далее

V,, V,

А

1 +

В

А2

2 Л

Ґ

В

<2 Л

(5)

1 + -

В2

Для перпендикулярного к обкладкам измерительного конденсатора расположения слоев получаем формулу в варианте 3:

є = > є - V- = є - V + є - V + є - V

/ ; г 1 л л ч ч вз вз

Для гранулированного льда:

О . О О

є = є • V + V и є = є • V .

1гл 1л л вз 2 гл 2 л л

Используя (6) и (7), получаем:

(є1гл - Ув.з) ,, ,, ,,

(6)

(7)

и є2 -'

Выразив є1ч и є2ч, имеем:

є1ч =

є1-1

V,.

є1гл - Х/в.з - 1

и є

V V V

ч л ч

Результаты расчетов £1ч и £2ч по приведенным вариантам представлены на рис. 7 и 8.

На рис. 7 представлены результаты для температуры Т=180К для различных частот

О

1

V

8

О

О

О

для модели слоев частиц, расположенных параллельно полю. Аналогичные результаты представлены на рис. 8 для случая слоев частиц, расположенных перпендикулярно электрическому полю. Естественно, что результаты расчета по двум моделям отличаются. Истинные результаты по числовым значениям лежат в промежутке между приведенными на рис. 7 и 8. Однако отметим общие факты.

Рис. 7. Зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от относительного объема в пересчете на гранулы песка на частоте 1 кГц. В предположении, что слои частиц расположены параллельно полю

Первое, на что следует обратить внимание,

- изменение £1ч при повышении содержания в смеси гранул льда (уменьшение Уч). Это изменение происходит по причине покрытия гранул песка тонкой пленкой воды, переходящей с гранул льда.

Второй факт из полученных результатов связан с переходом £1ч в область отрицательных значений. Т.к. для сухого песка £ > 0, то естественно предположить, что отрицательность £1ч следует связать с пленкой воды, покрывающей гранулы песка. Подобный эффект наблюдался ранее в работе [15].

Следует отметить, что увеличение частоты колебаний электрического поля смещает £1ч в область положительных значений. Этот факт становится объяснимым на основе гипотезы о существовании во льду плазменных колебаний. Согласно [16] плазменные колебания дают вклад в диэлектрическую проницаемость:

(

s(o) = sa_

\

1 --

О11 + —

ОТ

Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости:

Рис. 8. Зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от относительного объема в пересчете на гранулы песка на частоте 1 кГц. В предположении, что слои частиц расположены перпендикулярно полю

£1 =

Л

1 —

О,

О +

Т2 У

1

При ©> — (г - время релаксации ) и т

©р > © (©р - плазменная частота) величина £1 > 0 . Увеличение частоты при переходе ©р = © £ меняет знак на положительный. Согласно полученным результатам переход наблюдается в диапазоне 0,1-10 кГц. Для объяснения малых значений плазменной частоты в работе [15] высказана гипотеза о коллективном протонном плазменном резонансе. Основанием для такой гипотезы является существование во льду области синхронных колебаний молекул [17].

1

Заключение. В работе представлены ре- щий для анализ фактор - наличие на гранулах

зультаты исследования электрофизических льда квазижидкого слоя и переход молекул

свойств механической смеси гранулированно- воды с гранул льда на гранулы песка. Отсут-

го льда и песка. Анализ результатов темпе- ствие данных о количестве воды, переходя-

ратурных зависимостей диэлектрической про- щей на гранулы песка, не позволяет пока проницаемости при различных сочетаниях ком- должить приведенный в настоящей статье

понентов смеси позволил выявить усложняю- анализ.

Список литературы

1.Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино, 1998.

2. КопосовГ.Д. Проблемы физики влагосодержащих дисперсных систем в области отрицательных температур: моногр. Архангельск, 2004.

3. Petrenko VF., Whitworth R. W. Physics of Ice. N.Y., 2006.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Jaccard C. Etude Theorique et Experimentale def Propriétés Electriques de la Glace. Zurich, 1959. P. 89-128.

5. Jaccard C. Thermodynamics of Jrreversible Processes Applied to Ice // Phys. Kondens. Materie, 1964. V 3. P. 99-118.

6. Тонконогов М.П. Диэлектрическая спектроскопия кристаллов с водородными связями. Протонная релаксация // УФН. 1998. Т. 168, вып. 1. С. 29-54.

7. БоярскийД.А., Тихонов В.В. Учет диэлектрических свойств связанной воды при моделировании эффективной диэлектрической проницааемости влажных почв в СВЧ-диапазоне // Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43, № 4. С. 446-454.

8. Копосов Г.Д., Тягунин А.В. Электрофизические свойства объемного и дисперсного льда: сравнительный аспект // Сорбционные и хроматографические процессы. 2007. Т. 7, вып. 2. С. 353-361.

9. Тягунин А.В., Копосов Г.Д. Исследование электрофизических свойств механических смесей песок - гранулированный лед на частотах 0,1, 1, 10 кГц // Физ. вестн. Помор. ун-та: сб. науч. тр. Вып. 6. Архангельск, 2007. С. 110-120.

10. РыжкинИ.А., Петренко В.Ф. Протонная структура льда вблизи границы лед - металл // ЖЭТФ. 2005. Т. 128, вып. 2(8). С. 364-369.

11. Их же. Теория квазижидкого слоя льда, основанная на объемном фазовом переходе первого рода // ЖЭТФ. 2009. Т. 135, вып. 1. С. 77-81.

12. ГоловинЮ.И., ШибковА.А., Шишкин О.В. Эффект полного восстановления поверхности льда после индети-рования льда в температурном интервале 243-268К // Физика твердого тела. 2000. Т. 42, вып. 7. С. 1250-1252.

13. БордонскийГ.С., Крылов С.Д. Электрическое сопротивление пленок воды на поверхности льда вблизи температуры фазового перехода // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, вып. 7. С. 80-85.

14. Комаров С.А., МироновВ.Л. Микроволновое зондирование почв. Новосибирск, 2000.

15. Ильин В.А., Копосов Д.Г., Копосов Г.Д. Особенности температурно-влажностных зависимостей диэлектрической проницаемости льда в мерзлой влагосодержащей дисперсной среде на основе порошка кварца в низкочастотных электрических полях // Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008): материалы XI междунар. конф., Санкт-Петербург, 3-7 июня 2008. Т. 1. СПб., 2008. С. 363-365.

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

17. ЗацепинаГ.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1987.

Koposov Gennady, Tyagunin Anatoly

DIELECTROMETRY OF MECHANICAL MIXTURES «GRANULATED ICE - SAND»

AT FREQUENCIES 0,1; 1 AND 10 KHZ

Within the range of temperatures 77-270К the temperature dependences of the complex dielectric permeability components of the mixture “granulated ice - sand” are studied at various proportions of ice and sand. The anomalies in sizes and concentration dependences of relative dielectric permeability are discovered. The results are processed on the basis of 3 models for mixtures. The fact of transition of thin water film from ice granules to sand granules is established with the help of additional experiments.

Контактная информация: e-mail: fc.genphys@pomorsu.ru

Рецензент - Матвеев В.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.