Диэлектрические характеристики воды и льда
Диэлектрические характеристики воды и льда Владислав Федотов:
Здрасти. Я студент первого курса электротехнической специальности и готовлю доклад на тему «Внедрение воды и льда как диэлектрика» хотелось бы выяснить у вас может быть ли это вообщем? И если да то хотелось бы выяснить ваше мировоззрение.
Основная электронная черта хоть какой среды — диэлектрическая проницаемость — в случае воды показывает необыкновенные для воды особенности. Она очень велика, для статических электронных полей она равна 81, в то время как для большинства других веществ она не превосходит значения 10 (для льда – 3,25). Если на хоть какое вещество повлиять переменным электронным полем, то диэлектрическая проницаемость закончит быть неизменной величиной, а находится в зависимости от частоты приложенного поля, очень уменьшаясь для высокочастотных полей. Но диэлектрическая проницаемость воды миниатюризируется не только лишь в переменных во времени полях, но также и в пространственно переменных полях, т.е. вода является нелокально поляризующейся средой.
Огромное значение диэлектрической проницаемости разъясняется особенностями хим строения молекулы H2O. Большая величина статической диэлектрической проницаемости воды ? =81 связана с тем, что вода — очень полярная жидкость и потому обладает мягенькой ориентационной степенью свободы (т.е. вращения молекулярных диполей). Любая молекула воды обладает значимым дипольным моментом. В отсутствие электронного поля диполи нацелены случайным образом, и суммарное электронное поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электронное поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтоб ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в хоть какой другой полярной воды, но вода благодаря большенному значению дипольного момента молекул H2O способна очень очень (в 80 раз) ослабить наружное поле. Так реагирует вода на наружное электронное поле, если приложенное поле повсевременно по времени и слабо изменяется (либо вообщем не изменяется) в пространстве, заполняемом водой. В переменных электронных полях диэлектрическая проницаемость воды миниатюризируется с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4-5 для частот больше 1012 Гц. В 1929 г. П. Дебай предложил обрисовывать реакцию воды на наружное электронное поле при помощи всеохватывающей диэлектрической проницаемости:
?(?) = ?? + (?? — ??)/(1 + i ? ?)
где ? — частота наружного электронного поля, i — надуманная единица, ? — свойственное время релаксации, ?? ? 4?5 — диэлектрическая проницаемость воды при очень высочайшей частоте наружного поля.
Хотя при выводе собственной формулы Дебай использовал достаточно искусственную модель структуры воды, это выражение отлично соответствует экспериментальным данным и что с ростом частоты наружного поля диэлектрическая проницаемость резко падает. Разъяснением этому факту будет то, что любые движения молекулы H2O ограничены водородными связями в ассоциатах. В переменных электронных полях молекулярные диполи стремятся отследить меняющееся поле, что может быть при маленьких частотах поля. По мере роста частоты ориентироваться становится все сложнее. В итоге диполи перестают реагировать на наружное поле. Диэлектрическая проницаемость в данном случае определяется только атомно-молекулярным перераспределения электронного заряда, который присущ всем субстанциям. Такие механизмы действуют в воде и в случае неизменных полей, но их вклад в общую величину диэлектрической проницаемости невелик, всего 4-5 единиц. Не считая этого вода обладает поверхностным отрицательным электронным потенциалом, обусловленным скоплением на поверхности гидроксильных ионов HO-. Обратно заряженные ионы гидроксония H3O+ притягиваются к негативно заряженной поверхности воды, формируя двойной электронный слой. И хотя заряд скомпенсирован, на теоретическом уровне это не может быть препятствием для проведения тока по поверхности.
Вода не содержащая примесей является диэлектриком. При обычных критериях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (ионов гидроксония Н3О+) и гидроксильных ионов ОН- составляет 0,1 мкмоль/л. Но так как вода — неплохой растворитель, в ней фактически всегда растворены те либо другие соли, другими словами в воде находятся положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно найти её чистоту.
Электропроводность — это численное выражение возможности аква раствора проводить электронный ток. Электронная проводимость природной воды зависит в главном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры. Природные воды представляют в главном смеси консистенций сильных электролитов. Минеральную часть воды составляют ионы Na+, K+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO3-. Этими ионами и обуславливается электропроводность природных вод. Присутствие других ионов, к примеру, Fe3+, Fe2+, Mn2+, Al3+, NO3-, HPO4-, H2PO4- не очень оказывает влияние на электропроводность, если эти ионы не содержатся в воде в значимых количествах. На достоверность оценки содержания минеральных солей по удельной электропроводности в большой степени оказывают влияние температура и неодинаковая электропроводимость разных солей. Нормируемые величины минерализации примерно соответствуют удельной электропроводности 2 мСм/см (1000 мг/дм3) и 3 мСм/см (1500 мг/дм3) в случае как хлоридной (в пересчете на NaCl), так и карбонатной (в пересчете на CaCO3) минерализации.
Удельная электропроводность воды — черта минерализации пресной воды (солености морской воды), измеряемая с помощью платиновых либо железных электродов, погружаемых в воду, через которые пропускается переменный ток частотой от 50 Гц (в маломинерализованной воде) до 2000 Гц и поболее (в соленой воде), методом измерения электронного сопротивления. Расчет У.э.в. ведется по формуле k = C{K} T / R, где C — емкость датчика прибора, зависящий от материала и размеров электродов и имеющий размерность см-1, определяется при тарировке прибора по растворам хлористого калия с известной величиной У.э.в.; K T — температурный коэффициент для приведения измеренной величины при хоть какой температуре к принятому неизменному ее значению; R — измеренное электронное сопротивление воды прибором, в Омах. У.э.в. соленой воды принято выражать в См/м (См — Сименс, величина, оборотная Ому), пресной воды — в микросименсах (мкСм/см). У.э.в. дистиллированной воды равна 2—5 мкСм/см, осадков — от 6 до 30 мкСм/см и поболее, в районах с очень грязной воздушной средой, речных и пресных озерных вод 20—800 мкСм/см.»
Рис. 1. Диаграмма Стиффа для изображения состава воды в продольных координатах.
Оконтуренные площади помогают стремительно ассоциировать результаты анализов.
Рис. 2. Трехлинейная диаграмма, предложенная Пайпером. Показана хим черта морской воды (А) и питьевой воды (В) в процент-эквивалентах. Результаты каждого анализа представлены 3-мя точками: 2-мя на треугольных полях и одной на суммирующем поле-ромбе.
Удельная электронная проводимость воды находится в зависимости от температуры, нрава ионов и их концентрации. Обычно удельная электронная проводимость воды дается для 25° С, так что она зависит только от концентрации и нрава растворенных компонент. Так как удельная электронная проводимость измеряется очень стремительно, по ней можно просто найти хим состав воды.
Посреди всераспространенных типов природных вод при данной общей минерализации воды, содержащие бикарбонат и сульфат кальция, обычно имеют самую низкую проводимость, а воды, содержащие хлористый натрий, владеют большей проводимостью. Общую минерализацию пресной воды в частях на миллион можно примерно найти, если величину ее удельной электронной проводимости в микромо помножить на 0,7. Но наблюдается более четкая зависимость меж формой выражения минерализации воды в экв/млн и ее электропроводностью, выраженной в микромо. Для практически незапятанной воды, если поделить величину удельной электронной проводимости на 100, получим общую минерализацию воды в эквивалентах на 1 млн. с точностью до 5%. Для воды с минерализацией от 1 до 10 экв/млн точность приобретенной величины составляет около 15%. Считается, что обшая минерализация воды В, выраженная в эквивалентах на 1 млн., и ее удельная электронная проводимость С связаны последующими эмпирическими зависимостями:
С = 100 В, (3.2)
когда В < 1;
С= 12,27 + 86,38 В + 0,835 В2, (3.3)
когда В = 1 — 3;
C = B(95,5-5,54 lg B), (3.4)
когда В = 3 — 10;
С = 90 В, (3.5)
когда В > 10 с доминированием аниона НСО-3;
С = 123 В, 0,939 (3.6)
когда В>10 с доминированием аниона Сl-;
С = 101 В, 0,949 (3.7)
когда В > 10 с доминированием аниона SO2-4
Рис. 3. Удельная электронная проводимость аква смесей разных соединений. Воздействие температуры на удельную электронную проводимость воды в особенности видно на примере, содержания NaCl.
Более замечательны и электронные характеристики льда.
Во время низовых метелей большие кристаллы льда заряжаются негативно, а более маленькая Снежная пыль — положительно. Свежевыпавший снег во всех случаях обнаруживает более значительную электризацию, чем уже слежавшийся. При взвихривании снежной пыли в воздухе может появляться большой заряд до 1-8 кулон м3. В особенности сильные электронные поля (до 100 в/см) наблюдаются во время снежных метелей в полярных и высокогорных областях, где за счет электризации антенн сухим снегом очень усиливаются помехи радиосвязи — pppa.ru. Сталкиваясь с проводами линий телефонной либо телеграфной связи, снежинки из метельных потоков передают им собственный заряд. При неплохой изоляции от земли, заряд может накопиться таковой большой, что в прилегающем воздухе возникнет коронный разряд.
Движение лавин в горах в безлунные ночи время от времени сопровождается зеленовато-желтым свечением, по этому лавины становятся видимыми. Обычно световые явления наблюдаются у лавин, которые движутся по снежной поверхности, и не наблюдаются у лавин, проносящихся по горам. По-видимому, предпосылкой свечения лавин является коронный электронный разряд наэлектризованных масс снега. На озерах Антарктики во время полярной ночи время от времени появляется свечение при разламывании больших масс озерного льда. Свечение это — итог электронного разряда, возникающего при разрушении льда.
Заряжение, кристаллов льда во время снежных метелей можно, разъяснить за счет обмена зарядом при контакте меж собой плоской грани 1-го кристалла льда с острым выступом другого. Допустим, что выступ на плоской грани кристалла имеет форму цилиндра — pppa.ru. Тогда электронное поле, создаваемое периферическими электронами поверхности твердого тела в высшей части выступа будет в 2 раза больше, чем над плоской поверхностью. Если над первым выступом — цилиндром расположить 2-ой с в два раза наименьшим радиусом, над вторым — 3-ий и т.д. прямо до последнего выступа атомных размеров, то у конца последнего выступа электронное поле окажется приблизительно в 10 раз огромным, чем над плоской поверхностью.
Таким макаром при контакте выступа 1-го кристалла льда с плоской поверхностью другого поверхностным электронным полем электроны будут перегоняться с выступа на плоскость. Потому что у маленьких кристаллов относительное количество выступов больше, чем у больших, то при контакте 1-ые будут заряжаться положительно, а 2-ые негативно.
В поле силы тяжести потом происходит разделение зарядов. Более томные кристаллы с отрицательным зарядом опускаются вниз, а более легкая снежная пыль с положительным зарядом остается взвешенной в воздухе. Таким макаром во время снежных метелей у земной поверхности могут появляться сильные электронные поля, а поблизости зарядившихся от снега наземных объектов — коронные и даже искровые электронные разряды.
Электропроводность льда и снега очень мала. Она во много раз меньше электропроводности воды. Разные примеси оказывают существенное воздействие на электропроводность воды и практически не изменяют электропроводности льда. Электропроводность химически незапятанной воды обоснована частичной диссоциацией молекулы воды на ионы Н+ и ОН–.Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов Н+ (протонные перескоки).
Величина электропроводности и ее экспоненциально резвое возрастание с увеличением температуры резко отличают лед от железных проводников и ставят его в один ряд с полупроводниками. Обычно лед бывает очень чист химически, даже если вырастает из грязной воды либо раствора (вспомните незапятнанные прозрачные льдинки в грязной луже). Это обосновано низкой растворимостью примесей в структуре льда. В итоге при замерзании примеси оттесняются на фронте кристаллизации в жидкость и не входят в структуру льда. Вот поэтому свежевыпавший снег всегда белоснежный, а вода из него отличается исключительной чистотой. Природа мудро предугадала огромную очищающую станцию для воды в масштабе всей атмосферы Земли. Потому рассчитывать на огромную примесную проводимость (как, к примеру, в легированном кремнии) во льду не приходится. Но в нем нет и свободных электронов, как в металлах. Только в 50-е годы XX века было установлено, что носителями заряда во льду являются неупорядоченные протоны, другими словами лед является протонным полупроводником.
Упоминавшиеся выше перескоки протонов делают в структуре льда недостатки 2-ух типов: ионные и ориентационные. В первом случае перескок протона происходит повдоль водородной связи от одной молекулы H2O к другой, в итоге чего появляется пара ионных изъянов H3O+ и ОН-, а во 2-м — на соседнюю водородную связь в одной молекуле Н2О, в итоге чего появляется пара ориентационных изъянов, получивших заглавие Lи D-дефектов.
к.х.н. О.В. Мосин
Ниже показаны диэлектрические характеристики воды и льда:
Диэлектрические характеристики воды и льда
Численная модель диэлектрических параметров льда позволяет выполнить расчет показателя преломления и показателя поглощения электрических волн в спектре частот от 0 до 6.7·1015 Гц.
Показатель преломления электрических волн определяется выражением:
а показатель поглощения электрических волн определяется выражением:
где
показатель преломления электрических волн;
показатель поглощения электрических волн;
действительная часть всеохватывающей диэлектрической проницаемости;
надуманная часть всеохватывающей диэлектрической проницаемости.
В спектре частот от 0 до 3.49·107 Гц значения относительной диэлектрической проницаемости рассчитываются при помощи теории Дебая, в спектре от 3.49·107 до 6.66·1015 Гц — по табличным данным, приобретенным в итоге натурных тестов. Значение в согласовании с теорией Дебая рассчитывается по формуле:
где
действительная часть всеохватывающей диэлектрической проницаемости;
относительная диэлектрическая проницаемость на больших частотах, для льда равная 3.1;
относительная диэлектрическая проницаемость на низких частотах;
частота электрического поля, Гц;
время релаксации диэлектрической проницаемости, с.
Значение в согласовании с теорией Дебая рассчитывается по формуле:
Зависимость относительной диэлектрической проницаемости льда в статическом пределе от температуры может быть рассчитана по формуле, приобретенной нами в итоге аппроксимации табличных данных работы [22]:
где
относительная диэлектрическая проницаемость льда при неизменном электронном поле.
В спектре температур от 233 до 273 К (от -40 до 0 °С) относительная ошибка расчета по формуле не превосходит 1.5 %.
Время релаксации диэлектрической проницаемости льда может быть рассчитано по формуле, которая аппроксимирует табличные данные работы [22]:
В спектре температур от 233 до 273 К (от -40 до 0 °С) относительная ошибка расчета по формуле не превосходит 1.5 %.
В спектре частот электрического излучения от 3.49·107 до 6.66·1015 Гц модель возвращает значение, приобретенное методом интерполяции табличных данных [23] о показателях преломления и поглощения льда. Табличные данные соответствуют спектру температуры от 213.16 до 272.16 K (от -60 до -1 °C).
Для целей обеспечения гладкости функций реальной и надуманной частей относительной диэлектрической проницаемости льда на частоте 3.49·107 Гц (для льда), где стыкуется модель Дебая и табличные данные, употребляются последующие уточняющие формулы для относительной диэлектрической проницаемости в статическом пределе.
Для реальной части всеохватывающей относительной диэлектрической проницаемости:
и для надуманной части всеохватывающей относительной диэлектрической проницаемости:
где
относительная диэлектрическая проницаемость на больших частотах;
действительная часть всеохватывающей относительной диэлектрической проницаемости на частоте f;
надуманная часть всеохватывающей относительной диэлектрической проницаемости на частоте f;
относительная диэлектрическая проницаемость на низких частотах;
частота электрического поля, Гц;
время релаксации диэлектрической проницаемости, с.
Результаты численного расчета значений относительной диэлектрической проницаемости льда зависимо от частоты электрического излучения при 2-ух значениях температуры представлены в таблице. На рисунках 1 — 4 представлены результаты расчета зависимости от частоты электрических волн показателя преломления, показателя поглощения, реальной части всеохватывающей диэлектрической проницаемости, надуманной части всеохватывающей диэлектрической проницаемости воды и льда.
Таблица — Зависимость всеохватывающей относительной диэлектрической проницаемости льда от частоты электрических волн при 2-ух значениях температуры
Набросок 1 — Зависимость показателя преломления воды и льда от частоты электрических волн
Набросок 2 — Зависимость показателя поглощения воды и льда от частоты электрических волн
Набросок 3 — Зависимость реальной части относительной диэлектрической проницаемости воды и льда от частоты электрических волн
Набросок 4 — Зависимость надуманной части относительной диэлектрической проницаемости воды и льда от частоты электрических волн
Источник:
www.meteolab.ru/projects/dielectric/
www.o8ode.ru/article2268dielectric_water.htm