Импедансная спектроскопия полярных жидкостей - Курсовая работа

Импедансная спектроскопия играет в современных исследованиях огромную роль, а ее возможности с появлением современной техники многократно возрастают. Выбор конкретного зависит от частной области, точности измерения, простоты эксперимента. В работе предполагается ознакомиться с литературой по механизмам формирования спектров диэлектрической проницаемостей полярных жидкостей.Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Молекула воды представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Если "свободную" молекулу воды - не связанную с другими молекулами, поместить в электрическое поле, то она "повернется" отрицательными полюсами в сторону положительно заряженной пластины, а положительными полюсами в сторону отрицательно заряженной пластины. Каждая молекула воды образует до четырех водородных связей - две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при-80 °С, а замерзала при-100 °С.Электролит - это вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решетках твердых электролитов. Электролиты - проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью положительно или отрицательно заряженных ионов. Электролитическая диссоциация - это процесс распада электролита на ионы при его растворении или плавлении вследствие взаимодействия растворенного вещества с растворителем. Наряду с сольватирующей способностью молекул растворителя определенную роль в электролитической диссоциации играет также макроскопическое свойство растворителя - его диэлектрическая проницаемость. Слабые электролиты - химические соединения, молекулы которых даже в сильно разбавленных растворах незначительно диссоциированны на ионы, которые находятся в динамическом равновесии с недиссоциированными молекулами.Полярные вещества это соединения, молекулы которых обладают электрическим дипольным моментом. Для полярных веществ, в сравнении с неполярными, характерны высокая диэлектрическая проницаемость (более 10 в жидкой фазе), повышенные температура кипения и температура плавления.Дистиллированная вода будет служить в качестве эталонного материала, т.к. ее свойства хорошо изучены в широком диапазоне частот. Это связано с эффектами поляризации, которая в переменных электрических полях обусловлена, по меньшей мере, тремя механизмами: электронная поляризация (смещение электронов относительно положительных ионов), ионная поляризация (смещение ионов в молекуле относительно друг друга), ориентационная поляризация или релаксация (вращение полярных молекул). Ориентационная поляризация характеризуется большими временами релаксации, которые сильно зависят от температуры, поскольку энергии теплового движения молекул соизмеримы с энергиями взаимодействия полярных молекул с приложенным полем. Для построения теоретических частотных зависимостей компонент комплексной диэлектрической проницаемости, нами были использованы формулы Дебая, которые хорошо описывают поведение дистиллированной воды при комнатной температуре [1]: , (1) Из рисунков видно, что действительная часть проницаемости падает с ростом температуры, а область максимальных значений мнимой части сдвигается в сторону высоких частот, при этом величина максимумов так же уменьшается.С0, С1, С2 называются константами конденсатора, в случае если при внесении материала в конденсатор их значения не изменяются. На практике же, при внесении материала в конденсатор, происходит изменение полей, что очень затрудняет получение истинных результатов и приводит к ошибкам вычислений, поэтому параметры С1,С2 и L принято называть паразитными. На рисунке 6 изображена схема плоского дискового конденсатора. а) конденсатор с образцом, б) эквивалентная схема Плотно прижатые к диэлектрику обкладки конденсатора дают С2 = ?, тогда эквивалентная схема выглядит следующим образом, как на рисунке 6. Поле конденсатора с обкладками бесконечной длины однородно при наличии в нем шайбы диэлектрика, поэтому для снижения влияния краевых полей используются конденсаторы с частичным заполнением.Поскольку пространственное разделение зарядов всегда сопровождается возникновением электрической разности потенциалов, двойной электрический слой можно рассматривать как своеобразный микроконденсатор, расстояние между обкладками которого определяется молекулярными размерами. При погружении металлического электрода в раствор электролита между металлом и раствором возникает двойной электрический слой (ДЭС) и на границе раздела фаз возникает скачок потенциала. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твердым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае г

Оглавление

Введение

1. Свойства полярных жидкостей и методы их исследования

1.1 Свойства воды

1.2 Электролиты. Электролитическая диссоциация

1.3 Полярные вещества

1.4 Методика обработки спектров диэлектрической проницаемости воды с проводящими примесями

1.5 Конденсаторный метод измерения диэлектрической проницаемости

1.6 Влияние двойного электрического слоя

2. Экспериментальная часть

2.1 Измерительная установка

2.2 Результаты измерений. Анализ

Заключение

Список использованных источников

Импедансная спектроскопия играет в современных исследованиях огромную роль, а ее возможности с появлением современной техники многократно возрастают. Это один из наиболее удобных неразрушающих методов исследования. В настоящее время существует множество способов измерения импеданса. Выбор конкретного зависит от частной области, точности измерения, простоты эксперимента. В работе предполагается ознакомиться с литературой по механизмам формирования спектров диэлектрической проницаемостей полярных жидкостей. Изучить основы теории метода импедансной спектроскопии. Освоить методику измерения диэлектрической проницаемости на прецизионном измерителе RLC Agilent E4890А. Целью работы является провести измерения спектров диэлектрической проницаемости дистиллированной воды и природных водоисточников.

Актуальность работы заключается в том, что информация о наличии проводящих примесей, содержащихся в водной среде, необходима для решения целого ряда важных практических и фундаментальных задач, экологам, гидрологам, специалистам подводной радиосвязи, др.

Сведения о наличии примесей в водной массе необходимы также для оценки экологических последствий катастрофических разливов и половодий.