Способ определения диэлектрической и динамической магнитной проницаемостей веществ в низкочастотной области с помощью индуктивных l-ячеек
Использование: для определения диэлектрической и динамической магнитной проницаемости веществ. Сущность: заключается в том, что определение диэлектрической ε и динамической магнитной проницаемости μ веществ с удельной электропроводностью <20 мСм/см в диапазоне частот 10 кГц-100 МГц осуществляют с помощью комплекта соленоидальных катушек индуктивности идентичного размера (L-ячеек), подключаемых к колебательному контуру куметра, при этом для одновременного определения ε и μ на каждой частоте используются две измерительные L-ячейки разной индуктивности, настраиваемые на резонанс на этой частоте, а значения ε и μ рассчитываются по соотношениям:
где C'1 и С''1 - резонансные емкости используемых L-ячеек до введения в них веществ; С0' и С0'' - их собственные емкости; ΔС' и ΔС'' - сдвиги резонансной емкости при вводе исследуемого вещества; α - постоянная L-ячеек, зависящая от их геометрических размеров и определяемая по измерению сдвига их резонансной емкости при вводе химически чистых органических немагнитных жидкостей с известным значением ε и |μ-1|<10-4. Технический результат: обеспечение возможности определения абсолютного значения диэлектрической проницаемости веществ в сверхмалых вихревых электрических полях индуктивных L-ячеек с одновременным определением динамической магнитной проницаемости веществ. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к физическим методам исследования и позволяет повысить точность определения динамической магнитной проницаемости магнитных веществ, выявлять магнитные свойства у полярных диэлектриков, определять диэлектрические свойства немагнитных проводящих полярных веществ, например всевозможных растворов. Поэтому изобретение может использоваться при решении фундаментальных и прикладных проблем как магнитных, так и полярных материалов.
Способ определения динамической магнитной проницаемости μ магнитных материалов по изменению индуктивности измерительных катушек (L-ячеек) хорошо известен [1]. Но определенные таким способом частотные зависимости значений μ больших магнитных образцов в области низких частот искажаются. Полагается, что это обусловлено возникновением в образцах вихревых токов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ, разработанный для определения частотной зависимости диэлектрических параметров воды и ее растворов с удельной электропроводностью <20 мСм/см в диапазоне частот 10 кГц-100 МГц с помощью комплекта соленоидальных катушек индуктивности идентичного размера (L-ячеек), подключаемых к колебательному контуру куметра [2].
При вводе исследуемой жидкости в диэлектрическом сосуде в L-ячейку происходит изменение индуктивности ячейки, обусловленное возникновением в жидкости токов смещения, зависящих от ее диэлектрических параметров. По значениям добротности Q и емкости С колебательного контура куметра при резонансе до (Q1; C1) и после (Q2; C2) помещения жидкости внутрь L-ячейки рассчитывается значение тангенса угла диэлектрических потерь объекта
а диэлектрическая проницаемость характеризуется величиной εотн=ΔC/ΔC∞, где ΔС и ΔС∞ - сдвиг резонансной емкости колебательного контура куметра после введения исследуемого объекта на частоте измерения и частоте порядка 10 МГц.
Предлагаемый способ, как и в прототипе, основан на измерении изменений параметров L-ячейки после введения в нее исследуемых веществ методом куметра. Однако в отличие от прототипа он позволяет находить не относительные, а абсолютные значения диэлектрической проницаемости веществ ε в сверхмалых вихревых электрических полях индуктивных L-ячеек, а также одновременно определять и динамическую магнитную проницаемость μ веществ.
С целью разработки способа совместного определения магнитной и диэлектрической проницаемости материалов рассмотрим изменения параметров колебательного контура куметра, состоящего из калиброванного конденсатора переменной емкости С, а также измерительной L-ячейки с индуктивностью L и активным сопротивлением R. Условием резонанса колебательного контура с добротностью Q=ωL/R является соотношение:
Ввод в L-ячейку любого вещества, магнитного или немагнитного, снижает добротность колебательного контура с Q1 до Q2 и уменьшает резонансную емкость на величину ΔC=C1-С2 (таблица 1).
Таблица 1. | ||||||||
Изменения параметров L-ячеек одинакового размера (диаметр 22 мм, высота 90 мм) с разной индуктивностью на частоте 100 кГц после ввода в них воды и ФМЖ | ||||||||
L0 мГн | С0 (пФ) | Q1 | C1 (пФ) | Q2 | С2 (пФ) | ΔС (пФ) | 102·ΔС/(С2+С0) | 102·tgδ |
Вода (бидистиллят) | ||||||||
33 | 10 | 148 | 55,1 | 80 | 53,32 | 1,78 | 2,73 | 16,9 |
11,6 | 8 | 176 | 174,47 | 135 | 172,7 | 1,77 | 0,97 | 17,1 |
4,3 | 6 | 162 | 545,6 | 148 | 543,8 | 1,8 | 0,33 | 16,9 |
1,78±0,02 | 17,0±0,2 | |||||||
Ферромагнитная жидкость (ФМЖ) | ||||||||
33 | 10 | 148 | 55,1 | 52 | 50,65 | 4,45 | 7,68 | 14,7 |
11,6 | 8 | 176 | 174,47 | 55 | 160,7 | 13,8 | 7,56 | 15,1 |
4,3 | 6 | 162 | 545,6 | 55 | 500,3 | 45,3 | 8,2 | 14,9 |
7,82±0,26 | 14,9±0,2 |
Из (2) следует, что при Q>20 (этому условию соответствуют все эксперименты) влияние изменения добротности контура на условие резонанса не превышает 0,1%. Пренебрегая в (2) вкладом от Q, но учитывая в качестве следующего приближения, что L-ячейка имеет собственную емкость С0, для условия резонанса получаем соотношение:
Если пренебречь наличием диэлектрических свойств у магнитного вещества, то ввод его в L-ячейку приведет к увеличению индуктивности ячейки в μ раз. Поэтому условие резонанса контура на частоте ω до и после ввода такого вещества в L-ячейку при Q>20 можно записать в виде:
где L0 - индуктивность пустой ячейки. Из (4) получаем, что для магнитного вещества должно выполняться соотношение:
Обозначив сдвиг резонансной емкости ΔC=C1-C2 за счет магнитных свойств вещества за ΔСμ, из (5) получаем, что
Таким образом величина сдвига резонансной емкости после ввода магнитных веществ в L-ячейку обратно пропорциональна индуктивности этой ячейки. Однако, согласно (5), отношение ΔC/(C1+C0) для магнитных веществ должно определяться величиной их магнитной проницаемости и не зависеть от индуктивности ячейки. Справедливость этого вывода на примере концентрированной ферромагнитной жидкости (ФМЖ - стабильная суспензия магнетита в углеводороде) подтверждают данные таблицы 1, для которой разброс значений ΔC/(C1+C0)=μ-1, найденных с помощью трех L-ячеек разной индуктивности, укладывается в 4% погрешность.
Как показано в [2], особенностью веществ, у которых можно пренебречь магнитными свойствами, является независимость сдвига резонансной емкости при их вводе в L-ячейку от индуктивности ячейки. Данный факт на примере чистой бидистиллированной воды подтверждают приведенные в таблице 1 экспериментальные данные.
Величина сдвига резонансной емкости ΔCε при вводе в данную L-ячейку немагнитного вещества определяется лишь значением его диэлектрической проницаемости ε. Следовательно,
где α - есть постоянная L-ячеек, зависящая лишь от их геометрических размеров. Для комплекта измерительных L-ячеек одинакового размера величина α имеет одно и то же значение, которое можно определить по результатам калибровочных экспериментов, например по измерению ΔCε химически чистых жидкостей с известным значением ε. Пример такого калибровочного эксперимента приведен в таблице 2.
Таблица 2. Пример калибровочного эксперимента по определению постоянной L-ячеек. | |||
Жидкость | ΔС(пФ) на 3 МГц | ε табличное | ε/ΔС |
ксилол | 0,13 | 2,37 | 18,2 |
хлороформ | 0,28 | 4,72 | 16,9 |
циклогексанол | 0,97 | 16,8 | 17,3 |
ацетон | 1,17 | 20,7 | 17,7 |
17,5±0,3 |
Разная зависимость ΔCε и ΔСμ от индуктивности L-ячеек позволяет найти обе эти величины с помощью двух L-ячеек одинакового размера с разной индуктивностью, настраиваемых на резонанс на исследуемой частоте. Для полного сдвига резонансной емкости, обусловленного магнитными и диэлектрическими параметрами вещества, для двух таких L-ячеек имеем:
Из (7) получаем выражения для расчета μ и ε исследуемого вещества:
Из соотношений (7) следует, что индикатором наличия у исследуемого вещества заметных магнитных свойств является отличие измеренных на двух L-ячейках значений сдвига резонансной емкости ΔС' и ΔС'', превышающей погрешность определения ΔС. Например, для куметров TESLA ВМ-311 или ВМ-311 погрешность ΔС составляет ±0,02 пф. В этом случае вклад от магнитных свойств вещества оказывается порядка точности эксперимента при Таким образом величину магнитной проницаемости данным методом можно находить для веществ с
Для веществ с параметры L-ячеек определяются только диэлектрическими свойствами. Для таких веществ по соотношению (1) находится tgδ диэлектрических потерь, а по соотношению (6) величина диэлектрической проницаемости ε. Из разработанного метода определения μ следует, что замеченное в [1] искажение значений μ больших образцов в области низких частот у веществ с электропроводностью
<20 мСм/см в гораздо большей степени обусловлено не вихревыми токами, а вкладом от их диэлектрических свойств, поскольку величина ΔСε растет пропорционально сечению образца [2].
Неучет диэлектрических свойств наиболее существенно проявляется на величине μ массивных слабомагнитных образцов. На чертеже на примере образца гравия (объем образца 120 см2, диаметр 3 см), содержащего 3,5% магнетита, показано насколько значительно можно исказить вид частотных зависимостей ε и μ исследуемых образцов, если пренебречь для них вкладом от диэлектрических (фиг.1, A) или магнитных (фиг.1, B) свойств. При этом рассчитанные по соотношениям (8-9) частотные зависимости ε и μ на чертеже являются классическими и типичными для подобных образцов [1].
Литература
1. Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: Иностранная литература. 1962. 504 с.
2. Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью L-ячейки. Патент РФ №2234102 // БИПМ. №6. 2004.
Способ определения диэлектрической ε и динамической магнитной μ проницаемостей веществ с удельной электропроводностью <20 м См/см в диапазоне частот 10 кГц-100 МГц с помощью комплекта соленоидальных катушек индуктивности идентичного размера (L-ячеек), подключаемых к колебательному контуру куметра, отличающийся тем, что для одновременного определения ε и μ на каждой частоте используются две измерительные L-ячейки разной индуктивности, настраиваемых на резонанс на этой частоте, при этом значения ε и μ рассчитываются по соотношениям:
где C'1 и C''1 - резонансные емкости используемых L-ячеек до введения в них веществ; С0' и С0'' - их собственные емкости; ΔС' и ΔС'' - сдвиги резонансной емкости при вводе исследуемого вещества; α - постоянная L-ячеек, зависящая от их геометрических размеров и определяемая по измерению сдвига их резонансной емкости при вводе химически чистых органических немагнитных жидкостей с известным значением ε и |μ-1|<10-4.