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 ε_отн=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 ΔС_μ, 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 ΔC_ε 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 ΔC_ε 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 ΔC_ε и ΔС_μ 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 ΔС_ε 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.