Файл: Балыгин, И. Е. Электрические свойства твердых диэлектриков.pdf

Для разогрева жилы 1 по ней пропускался нагрузочный ток низкого напряжения. Поскольку свинцовая оболочка кабеля была разомкнута, по ней токи не текли. Сила нагрузочного тока изме­ рялась клещами Дитца и во время опытов поддерживалась по­ стоянной (постоянный источник нагрева жилы кабеля).

Состояние, когда количество выделявшегося в жиле тепла было равно теплу, рассеиваемому оболочкой кабеля (тепловое равнове­ сие), устанавливались примерно через 5 ч. После этого срока тем­ пература свинцовой оболочки уже не изменялась.

В нескольких местах на этой оболочке по обе стороны от на­ грузочного трансформатора 14 были расположены термосопро-

лась гальванометром, соединенным с термосопротивлениями по мостовой схеме. Эти манжеты, соединительные провода и гальва­ нометр соответствующим образом экранировались. Для контроля на свинцовой оболочке 11 были еще укреплены несколько ртутных термометров.

После установления теплового равновесия, когда температура оболочки кабеля 11 при неизменном нагрузочном токе в течение одного часа не менялась (приблизительно через 6 ч после начала опыта), без отключения нагрузочного тока замыканием ключа 4 на жилу кабеля 1 подавалось прстоянное напряжение 100 кв от выпрямителей установки с высоковольтным трансформатором 7, кенотроном 5, ограничивающим сопротивлением 6 и высоковольт­ ным конденсатором 8 емкостью 0,1 мкф для сглаживания колеба­ ний напряжения при однополупериодном выпрямлении.

Если бы не было влияния электрического поля на теплопровод­ ность слабополярной' пропитанной кабельной бумаги, то темпе­

167

ратура оболочки 11 по-прежнему оставалась бы без изменения. Систематические измерения, однако, показали, что при подключе­ нии на жилу кабеля сечением 95 мм2 постоянного напряжения 100 кв относительно заземлений свинцовой оболочки происходило заметное охлаждение последней. Ход изменения температуры

передаче энергии постоянным током высокого напряжения подземными или подводными бумажно-мас­ ляными кабелями со свинцовой оболочкой. При протяженных, на­ пример, подводных, трассах, когда кабели часто прокладываются по неровному дну водоемов с перепадом по высоте в несколько мет­ ров, придется считаться с возможностью стоков пропиточных масс из участков выше расположенных в ниже расположенные участки.

Предельно допустимая величина нагрузочного тока на кабель зависит от температуры токоведущей жилы. При этой темпера­ туре внутреннее давление под свинцовой оболочкой кабеля не дол­ жно превышать 1 атм. В случае повышения температуры жилы выше допустимой, вязкость пропиточной массы уменьшается и облегчается ее стекапне из вышерасположенных участков. При избытке этой массы в ппжерасположенных участках внутреннее давление в кабеле может достигнуть величины в несколько атмо­ сфер. Последнее повлечет необратимое расширение свинца. Обра­ зовавшиеся пустоты при таком расширении будут снова запол­ нены пропиточной массой, произойдет новое расширение и т. д. до разрыва свинцовой оболочки и выхода кабеля из строя. Не­ постоянство нагрузки кабеля ускоряет эти процессы. Болес по­ дробно об этом изложено в [10-4].

168

10-3. Электронный парамагнитный резонанс в некоторых твердых диэлектриках

Электронный парамагнитный резонанс очень широко приме­ няется в физике, химии и биологии. При помощи его получены интересные данные, касающиеся электрических свойств радиокерамических диэлектриков. Эти данные в отношении старения изо­ ляции, например, дополняют материал, изложенный в гл. 7. Яв­ ление парамагнитного резонанса, как известно, наблюдается только в веществах с парамагнитными примесями.

Предположим, что поглощающим (исследуемым) веществом является пластинка 5 (рис. 10-6) и через нее проходит радиоволна 11 с частотой V. При действии на пластинку 5 сильного поля по­ стоянного магнита 9 в ней при определенной напряженности Н происходит поглощение энергии радиоволны И. Амплитуда ее после прохождения пластины 5 уменьшается 10. Без действия внешнего магнитного поля поглощения не происходит.

Известно также, что вращающийся вокруг своей оси электрон имеет механический момент — спин и магнитный момент.

Спин электрона ps = hs/(2л), где h — постоянная Планка, a s — спиновое квантовое число, оно принимает только значение ± '/2. Собственный магнитный момент электрона связан с ps соотноше­ нием :

Бора.

Поскольку все атомные процессы имеют квантовый характер, то и сами атомы или молекулы могут находиться только в одном

169

из разрешенных состояний с дискретными значениями механиче­ ского и магнитного моментов.

Вращающийся по орбите электрон приобретает еще и орби­ тальный магнитный момент

4я тс

где I — орбитальное квантовое число (/ = 0, 1, 2, 3, . . п—1) . Соб­ ственный магнитный момент ядра

где / — ядерное спиновое число, для данного ядра оно принимает значения, кратные Ѵг-

Суммарный магнитный момент атома состоит из векторной суммы всех моментов, но из них ядерный по сравнению с элект­ ронным мал, поскольку масса ядра в 103-=-104 раз больше элект­ рона. Без учета р/ векторная сумма будет включать в себя только орбитальные и спиновые моменты р у всех электронов атома.

Под действием внешнего постоянного магнитного поля магнит-' ный момент р у атома будет вращаться вокруг направления этого поля с прецессией. Так же вращается в поле силы тяжести и вол­ чок, если его ось немного наклонить. Угловая скорость движения магнитного момента атома по прецессии зависит от напряженности внешнего магнитного поля: со = уН.

Угол наклона прецессирующего магнитного момента не произ­ вольный, а тоже определяется правилами пространственного кван­ тования. Проекция этого момента р у на направление внешнего магнитного поля должна быть

PyCOS(py//) = g $ Mj ,

где g — коэффициент, зависящий от доли участия в суммарном моменте атома р у орбитальных и спиновых магнитных моментов; ß — магнетон Бора и M j — магнитное квантовое число. Оно при­ нимает значения Му= —/; —Ч.і—1); . . . ; + (/—1); + j. Здесь /—

число магнетонов Бора в атомном магнитном моменте. Следо­ вательно, момент ру может прецессировать под одним из 2/+1 возможных углов.

Движение по прецессии увеличивает энергию атома Wa

W = Wa + рjH cos (руЯ) = Wa + g$HMj.

Поскольку Mj имеет 2/+1 значений, то в магнитном поле каж­ дый энергетический уровень атома расщепляется на 2/+1 под­ уровня (зеемановских). Энергетические интервалы их АW=gßff.

Таким образом, внешнее магнитное поле определенным обра­ зом ориентирует суммарный магнитный момент ру атома, увели­ чивает энергию последнего и вызывает появление подуровней.

170

В таком положении при сравнительно небольших затратах энергии оказываются возможными переходы с одного уровня на другой. Если энергия кванта прикладываемой радиоволны с час­ тотой V будет равна энергии перехода, то магнитная составляю­ щая ее электромагнитного поля, взаимодействуя с прецессирующим магнитным моментом атома, изменяет угол прецессии и переводит атом на более высокий уровень подгруппы. При этом будут затра­ чиваться определенные порции энергии hx = AW=g$H, а частота радиоволны из этого соотношения должна быть v —gßH/h. Сово­ купность таких атомов в парамагнитном веществе будет вести себя схожим образом.

Подобного рода избирательное (резонансное) поглощение энер­

ядерного магнитного резонанса эта частота должна быть в 103Ч-104 раз больше.

Затрачиваемая энергия на переходы в конечном счете перехо­ дит в тепловую энергию всей совокупности атомов вещества по­ средством механизма спин-решетчатой релаксации.

Если магнетизм атома вызван одним неспаренным спином, то спектр резонансного поглощения бу"ет состоять из одной линии (рис. 10-7, а). Этот спектр будет определяться фактором спектро­ скопического расщепления g и формой линий поглощения. При одном спине g ~ 2. При значительном же электростатическом взаи­ модействии атомов электрические поля искажают орбиты элект­ ронов. Тогда спектр ЭПР будет состоять уже не из одной, а из нескольких линий (тонкая структура). На рис. 10-7, б, например, показан спектр ионов трехвалентного хрома в искусственном моно­ кристалле рубина (А120з). Спектр записан при частоте 1010 гц.

Магнитное поле ядра, взаимодействуя с магнитными момен­ тами своих электронов или электронов соседних атомов, может еще расщепить зеемановские подуровни на 21+ 1 сверхподуровень. Тогда в спектре ЭПР появятся дополнительные линии сверхтонкой структуры.

171

Установка для наблюдения ЭПР в сантиметровом диапазоне длин волн показана на рис. 10-6. Энергия от генератора сантимет­ ровых волн 7 по волноводу 4 передается в резонатор 6, куда между полюсами электромагнита 9 помещается исследуемое ве­ щество 5. В резонаторе на парамагнитное вещество действует магнитная составляющая радиочастотного поля и перпендикуляр­ ное к ней поле постоянного магнита 9, Кристаллический детектор 3 — на другом конце волновода. Ток высокой частоты через уси­ литель 2 подключается к регистрирующему прибору 1. Цифрой 8 обозначен поршень для настройки [10-6].

Спектр ЭПР снимают в двух координатах. По оси ординат обычно записывается производная интенсивности поглощения энер­ гии радиоволн, а по оси абсцисс величина, зависящая от магнит­ ного поля. Для точного определения g -фактора используют сигнал дефинилпикрилгидрозила (ДФПГ). По этому сигналу g = 2,0036. Относительно него находят положение регистрируемых линий спектра. Спектр ЭПР на радиоспектроскопе может быть записан при содержании в образце 10-11-РІ0~12 г парамагнитного вещества.

В работах [10-7 и 10-8] метод ЭПР был применен для исследо­ вания механизма старения изоляции у образцов из рутиловой ке­

значения, близкого к предпробивному, образцы быстро охлажда­

от 1000 до 4000 гс. Фиксированная частота генератора СВЧ рав­ нялась 9300 Мгц.

При температуре 300° К спектры исходных образцов А и со­ старенных Лст были одинаковы, с широкой, но слабой по ампли­ туде линией g ~ 4,14. Поэтому основные опыты проводились при

77° К.

В указанном диапазоне напряженности магнитного поля у об­ разцов А, не подвергавшихся старению, зарегистрирован сложный спектр. Такой же по форме спектр записан и у образцов А ст, но интенсивность некоторых линий была в 1,5 раза больше. Из этого можно было сделать вывод о том, что при старении стационарный уровень концентрации парамагнитных дефектов увеличился.

Некоторые данные по исследованию процессов старения такой же керамики и таким же методом приводятся в [10-9]. Было пока­ зано, что у образцов из Т-80 линии спектра g ^ l,9 3 и 1,97 связаны с парамагнитными дефектами, образующимися в основном окисле ТіОг. Остальные линии спектра вызваны парамагнитными при­ месями и что поглощение энергии в рутиловой керамике при тем­ пературе жидкого азота (77° К) обязано Ті3+ в различном кристал­ лическом окружении.

О спектрах ЭПР некоторых других радиокерамических материа­ лов имеются сведения в [10-10]. Постоянное магнитное поле при

172