Введение 3
Глава 1. Основы теории диэлектрической поляризации
1.1 Поляризация диэлектриков 5
1.2 Поляризуемость 8
1.3 Поляризация диэлектриков в переменных полях 10
1.4 Дисперсионные уравнения 14
Глава 2. Методы измерения диэлектрической проницаемости
2.1 Диэлектрические измерения в постоянных и переменных полях 20
2.2 Широкополосная методика измерения диэлектрической
проницаемости 25
2.3 Расчет диэлектрической проницаемости 25
2.4 Анализ погрешностей 27
Глава 3. Исследование структуры водно-спиртовых растворов методом диэлектрической спектроскопии
3.1 Постановка задачи 29
3.2 Экспериментальная установка 3 0
3.3 Результаты исследования 32
3.4 Аппроксимация экспериментальных данных 34
3.5 Обсуждение результатов 38
Заключение 44
Список литературы
Исследование диэлектрических свойств жидких и твердых диэлектриков - одна из наиболее фундаментальных и сложных проблем науки, имеющая большое теоретическое и практическое значение. В настоящее время центральное место в работах, посвященных изучению межмолекулярных взаимодействий в жидкостях и твердых телах, занимают исследования молекулярной структуры жидкости и динамики ее перестройки в ходе теплового движения. Для решения этих задач используются современные физические и физико-химические методы исследования: дифракционные, термодинамические и диэлектрические и другие методы.
Предполагают[1], что большая часть воды сохраняет тетраэдрическую структуру. Молекулы спирта, имеющие больший размер, при встраивании в структуру воды нарушают ее, тогда как встраивание молекул воды в структуру спирта не сопровождается существенным изменением последней. При растворении разной объемной концентрации спирта в воде, структура сетки водородных связей воды либо сохраняется, либо претерпевает деформацию[1]. Водно-спиртовые растворы представляют собой смешанные ассоциаты. Строение этих растворов в настоящее время не может считаться достаточно изученным.
Преимуществом диэлектрических измерений является чрезвычайно широкий частотный диапазон от 10-6Гц до 109 Гц, это позволяет следить за динамикой релаксационных процессов, как индивидуальных молекул, так и их ассоциатов и кластеров. В сочетании с широким температурным диапазоном -160оС до +400оС измерений, диэлектрический метод позволяет получить информацию о динамике фазовых превращений в исследуемой системе.
Актуальность работы. Смеси вода-этанол широко используются в качестве растворителей в биофизических исследованиях. Известно [12,13,14, 27] что, эти смеси обладают гетерогенной структурой, которая обусловлена микрофазным расслоением молекул воды и этанола. Важно понимать механизм взаимодействия между фазами смеси. На сегодняшний день нет единого взгляда на эту проблему, поэтому исследование механизмов взаимодействия между отдельными фазами смеси является актуальной задачей. Одним из методов позволяющих следить за динамикой изменения структуры бинарных смесей является диэлектрическая спектроскопия.
Целью данной работы является исследование структуры водно¬спиртовых смесей в диапазоне концентраций от 5% до 70% объемных долей этанола при низких температурах методом диэлектрической спектроскопии. Для достижения цели требуется решение следующих задач:
1. Провести измерения диэлектрических спектров водно-спиртовых смесей (от 5% до 70% объемных долей) в области температур от -150 оС до 0 оС.
2. Подобрать аппроксимирующую функцию для описания спектров и вычислить значения времён диэлектрической релаксации для каждого образца.
3. Рассчитать значения энергии активации и соотнести полученные значения с моделью диэлектрической релаксации льда.
1. Проведены измерения диэлектрических спектров водно-спиртовых смесей (5%, 10%, 20%, 30%, 40% 50%, 60%, 70%) в диапазоне температур -150оС - 0оС, с шагом 3оС.
2. Были рассчитаны времена диэлектрической релаксации для всех образцов в температурном диапазоне от -73 С до 0С. Температурные зависимости времен релаксации для концентраций от 5 %до 50 % представляют собой две линейные области с изломом, это говорит о том, что происходит смена механизма релаксации;
3. Линейные участки температурных зависимостей были описаны уравнением Аррениуса, что позволило рассчитать значения энергии активации процессов диэлектрической релаксации и сравнить их с значением энергий активации характерных для льда.
4. Показано, что для смесей вода-этанол существует три характерных области концентраций с различными механизмами релаксации, которые обусловлены микрофазным расслоением в смесях.
