авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Влияние кинетических процессов на электромагнитные свойства мелких частиц сложной структуры и тонких металлических проволок

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЗАВИТАЕВ ЭДУАРД ВАЛЕРЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕЛКИХ ЧАСТИЦ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ И ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК

Специальность: 01.04.02 – теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре физики Московского государственного университета леса.

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Юшканов А. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Гладков С. О.

доктор физико-математических наук,

профессор Уварова Л. А.

доктор физико-математических наук

Кузнецова И. А.

Ведущая организация – Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана.

Защита состоится “ 19 ” июня 2008 г. в 15 часов на заседании специализированного совета Д 212.155.07 в Московском государственном областном университете по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 10-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета.

Автореферат разослан “ ” 2008 г.

Учёный секретарь

специализированного совета,

кандидат физ.- мат. наук, доцент Барабанова Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На данном этапе развития физики наиболее востребованными являются результаты, полученные при описании нанометровых объектов, т. к. это имеет определяющее значение для практического внедрения нанотехнологий. В связи с чем, в научной литературе опубликовано большое количество теоретических и экспериментальных работ по указанной тематике. В частности работ, посвящённых исследованию электромагнитных свойств мелких частиц и тонких проволок. Причём в основе только малой части из этих работ лежит физическая кинетика.

Однако для корректного описания процесса диссипации энергии электромагнитного поля в мелкой частице или аналитического расчёта электрической проводимости тонкой проволоки использование кинетического подхода необходимо, поскольку указанные процессы напрямую связаны с кинетикой электронов (с их объёмным и поверхностным рассеянием внутри частицы или проволоки).

Известно, что электромагнитные свойства мелких металлических частиц (тонкие металлические проволоки можно считать вытянутыми частицами) могут существенно отличаться от свойств массивных образцов металла [1]. Если линейный размер R образца металла будет порядка – длины свободного пробега электронов или меньше её: R < , то взаимодействие электронов с границей металлического образца начинает оказывать заметное влияние на их отклик на внешнее электромагнитное поле. Следствием этого и являются особые электромагнитные свойства образца (металлической частицы). Поэтому, когда выполняется условие R < , основные электромагнитные характеристики частиц – плотность тока, локальная и интегральная проводимости, сечение поглощения – обнаруживают нетривиальную зависимость от отношения R /.



Возникшая ситуация делает необходимым тщательное теоретическое изучение электромагнитных свойств мелких металлических частиц. Из сказанного выше следует, что для этого нужно уметь описывать отклик электронов проводимости на внешнее электромагнитное поле в образце размером R при произвольном соотношении между R и (т.е. с учётом взаимодействия электронов с границей образца).

В качестве аппарата способного описывать отклик электронов на внешнее электромагнитное поле, с учётом взаимодействия электронов с границей образца, может быть использована стандартная кинетическая теория электронов проводимости в металле [2]. В этом случае ограничения на соотношение между длиной свободного пробега электронов и размером образца не накладываются.

Уравнения макроскопической электродинамики применимы лишь в случае «массивных» образцов: R >>. Поэтому известная теория Ми [3], которая описывает взаимодействие электромагнитной волны с металлическими телами в рамках макроскопической электродинамики, непригодна для описания упомянутого размерного эффекта.

Кроме того, в последнее время в литературе появились сообщения об экспериментальных исследованиях частиц со сложной внутренней структурой [4-7]. Такие частицы состоят из диэлектрического (или металлического) ядра, окружённого металлической оболочкой, что, естественно, сказывается на электромагнитных свойствах этих частиц. Важность рассмотрения частиц со сложной внутренней структурой становится очевидной в связи с технологическими приложениями, т. к. при создании композитных материалов часто используется чередование структур металл-диэлектрик и т. п.

Не менее важно исследование электрической проводимости тонких проволок из металла. Дело в том, что в этой области существуют значительные теоретические пробелы.

Например, описанный в научной литературе расчёт электрической проводимости тонкой цилиндрической проволоки [8] выполнен только для случая стационарного поля и не сопоставлялся с результатами экспериментальных исследований.

В качестве другого примера можно привести проблему влияния магнитного поля на электрическую проводимость тонкой цилиндрической проволоки из металла. В научной литературе есть статьи, посвящённые этому вопросу (например, [9]). Однако автору [9] не удалось получить аналитическое выражение для расчёта проводимости. Им численными методами были получены результаты только для отдельных значений параметров задачи. При этом автору также не удалось получить согласие результатов с экспериментальными данными.

В заключении можно обратить внимание на работу, в которой приведён эксперимент по определению электрического сопротивления тонких проволок прямоугольного сечения [10]. Однако последовательного теоретического описания электромагнитных свойств тонкой проволоки прямоугольного сечения в научной литературе нет. Кроме того, следует отметить, что влияние формы сечения проволоки на её проводимость изучено недостаточно и тоже почти не отражено в литературе.

Цель работы

Настоящая работа посвящена изучению влияния кинетических процессов на электромагнитные свойства мелких частиц сложной внутренней структуры и тонких металлических проволок (вытянутых наночастиц круглого или прямоугольного сечения). В диссертации подведены итоги исследований автора, направленных на:

  • Описание взаимодействия электромагнитного излучения с мелкой неоднородной сферической частицей, с использованием кинетической теории электронов в металлах.
  • Изучение электромагнитных свойств неоднородной цилиндрической частицы с использованием кинетической теории электронов в металлах.
  • Аналитический расчёт электрической проводимости для тонких проволок из металла различной формы сечения с использованием кинетического метода.
  • Исследование с помощью кинетического подхода влияния на электрическую проводимость тонкой цилиндрической проволоки из металла наличия продольного магнитного поля.

Научная новизна работы

В работе впервые получено аналитическое решение задачи о взаимодействии магнитной компоненты электромагнитного излучения с мелкой сферической частицей сложной структуры.

Впервые получено аналитическое решение задачи о взаимодействии магнитной компоненты электромагнитного излучения с неоднородной цилиндрической частицей, что позволяет провести сравнение сечений магнитного дипольного поглощения для частиц различной геометрической формы.

Впервые получено аналитическое решение задачи о взаимодействии электрической компоненты электромагнитного излучения с мелкой цилиндрической частицей сложной структуры.

Впервые получено аналитическое решение задачи по расчёту электрической проводимости вытянутых тонких проволок из металла различных видов сечения: прямоугольного и круглого, к концам которых приложено переменное электрическое напряжение.

Впервые для проволоки круглого сечения, к концам которой приложено переменное электрическое напряжение, построена теория электрической проводимости, учитывающая характер рассеяния электронов на внутренней поверхности проволоки, что позволяет качественно объяснить влияние характера рассеяния электронов на электрическую проводимость проволок других видов сечения, а также определять коэффициент зеркальности металлов.

Впервые рассчитана электрическая проводимость тонкой цилиндрической проволоки, помещённой в продольное магнитное поле, и проведено сравнение теоретического расчёта с результатами эксперимента.

Впервые на основе полученного аналитического решения найдено теоретическое объяснение для экспериментальных данных по магнитосопротивлению тонкой цилиндрической проволоки.

Впервые на основе полученного аналитического решения задачи о магнитосопротивлении тонкой проволоки цилиндрической формы определён коэффициент зеркальности поверхности металла (натрия).

Из выше сказанного можно сделать вывод о том, что рассмотренная в работе теория необходима для инициирования проведения новых экспериментов в области физики нанометровых объектов.

Практическая значимость

работы заключается в том, что, кроме чисто научного интереса, особенности поглощения электромагнитного излучения мелкими частицами важны и для технологических приложений. В частности, при нанесении на поверхность твёрдых тел лакокрасочных материалов, содержащих мелкие частицы сложной структуры, может резко изменится поглощение таких поверхностей и отражение от них. Для управления упомянутыми процессами нужно знать свойства таких частиц.

В связи с интенсивным развитием вычислительной техники и вредом излучения, возникающего в помещениях, где установлены компьютеры, может иметь место применение покрытий, с входящими в их состав мелкими частицами.

Изучение электромагнитных свойств мелких частиц сложной структуры важно для астрофизики и физики атмосферы.

В космосе мелкие частицы представляют серьёзную угрозу для летательных аппаратов. Такие частицы можно разрушать лазерными пучками, зная основные закономерности поглощения этих частиц.

Учёт влияния на электрическую проводимость тонких проволок формы их поперечного сечения необходим при создании микроканалов в диэлектрических матрицах композиционных материалов.

Аналитический расчёт электрической проводимости тонких проволок, помещённых в продольное магнитное поле, позволяет определять такую важную кинетическую характеристику металлов как коэффициент зеркальности электронов.

Заметим, что задачи о проводимости тонких металлических проволок становятся особенно актуальными в связи с бурным развитием микроэлектроники, где такие проволоки широко применяются.

На защиту выносятся следующие результаты:

  • Построение теории взаимодействия магнитной компоненты электромагнитного излучения с неоднородной сферической частицей.
  • Построение теории взаимодействия магнитной компоненты электромагнитного излучения с неоднородной цилиндрической частицей.
  • Построение теории взаимодействия электрической компоненты электромагнитного излучения с неоднородной цилиндрической частицей.
  • Построение теории электрической проводимости тонких металлических проволок.
  • Построение теории электрической проводимости тонкой цилиндрической проволоки из металла в продольном магнитном поле.

Апробация работы

По теме диссертации опубликована 31 работа, список которых приведён в конце автореферата.

Материалы диссертации докладывались на 21 международной конференции стран СНГ “Дисперсные системы” (Одесса, 2004 г.), на 6 международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004 г.), на 3 всероссийской конференции “Необратимые процессы в природе и технике (Москва, 2004 г.), на 3 международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, Крым, 2005 г.) и международной научно-практической конференции “Аэрозоли и безопасность - 2005 ” (Обнинск, 2005 г.). Основные результаты диссертации обсуждались на научных конференциях и семинарах кафедры теоретической физики Московского государственного областного университета и кафедры физики Московского государственного университета леса.





Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации 276 страниц машинописного текста; диссертация содержит 70 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации выполнен анализ современного состояния проблемы, которая составляет предмет диссертационного исследования, и проведён обзор литературы по теме диссертации.

Во второй главе решена задача о магнитном дипольном поглощении мелкой неоднородной сферической частицы.

Рассматривается сферическая частица, состоящая из диэлектрического (или металлического) ядра, радиус которого , окружённого оболочкой из немагнитного металла радиуса , помещённая в поле плоской электромагнитной волны частоты , которая ограничена сверху частотами ближнего ИК – диапазона ( < ). Неоднородность внешнего поля волны и скин-эффект не учитываются (предполагается, что < – глубины скин-слоя). Линейный размер частицы мал по сравнению с длиной волны электромагнитного излучения. В рассматриваемом диапазоне частот вклад токов дипольной электрической поляризации будет мал по сравнению с вкладом вихревых токов, которые индуцируются внешним магнитным полем волны. Поэтому действие внешнего электрического поля волны не учитывается.

Электроны проводимости в металлической оболочке (и в металлическом ядре, если частица биметаллическая) рассматриваются как вырожденный ферми–газ, и описывается их отклик на внешнее переменное магнитное поле с помощью уравнения Больцмана в приближении времени релаксации.

Однородное периодическое по времени магнитное поле волны вызывает появление в частице вихревого электрического поля. Оно, в силу симметрии задачи, определяется из уравнения индукции Максвелла

. (1)

Вихревое электрическое поле воздействует на электроны проводимости в частице и вызывает отклонение их функции распределения f от равновесной фермиевской :

, (2)

где - радиус – вектор (начало координат О в центре частицы), и m – скорость и эффективная масса электрона.

Это приводит к возникновению вихревого тока

, (3)

(где h – постоянная Планка, е – заряд электрона), а также к диссипации в объеме частицы энергии. Энергия диссипируемая в единицу времени равна

, (4)

здесь чертой обозначено усреднение по времени, а звездочкой – комплексное сопряжение.

Задача сводится к отысканию отклонения функции распределения электронов от равновесной , возникающего под действием вихревого электрического поля. В линейном приближении по внешнему полю, функция удовлетворяет кинетическому уравнению

, (5)

где - электронное время релаксации.

Для однозначного определения функции необходимо задать для нее граничные условия на сферических поверхностях металлической оболочки и диэлектрического (или металлического) ядра частицы. В качестве таковых принимаем условия диффузного и зеркально-диффузного отражения электронов от этих поверхностей.

При вычислении интегралов (3) и (4) удобно перейти к сферическим координатам как в пространстве координат (полярная ось – ось Z; вектор параллелен оси Z), так и в пространстве скоростей.

Сечение поглощения электромагнитного излучения находим, разделив среднюю диссипируемую мощность (см. 4) на средний поток энергии в волне ( – амплитуда магнитного поля волны).

Сечение поглощения неоднородной сферической частицы удобно представить в виде

, (6)

. (7)

Здесь n - концентрация электронов в оболочке частицы, – скорость Ферми оболочки ( – скорость Ферми ядра, если частица биметаллическая); - безразмерное сечение поглощения частицы, которое является функцией следующих безразмерных переменных: - безразмерная обратная длина свободного пробега электронов, - безразмерная частота внешнего поля, - отношение радиуса ядра к радиусу частицы. В случае зеркально-диффузного граничного условия для неоднородной сферической частицы с диэлектрическим ядром к ним добавляются коэффициенты отражения электронов от внутренней и внешней границ частицы и . Если частица биметаллическая, то добавляются безразмерные переменные - отношение скоростей Ферми ядра и оболочки и - отношение времён релаксации ядра и оболочки.

Результаты численных расчётов безразмерного сечения поглощения F неоднородной сферической частицы представлены на рис. 1-3.

РИСУНОК 1: Зависимость безразмерного сечения поглощения F неоднородной сферической частицы от безразмерной частоты y: 1 - (x = 0, = 0.8, = 0, = 0), 2 - (x = 0, = 0.8, = 1, = 0), 3 - (x = 0, = 0.8, = 0, = 1).

РИСУНОК 2: Зависимость безразмерного сечения поглощения F неоднородной сферической частицы от безразмерной обратной длины свободного пробега электронов x: 1 - (y = 1, = 0.8, = 0, = 0), 2 - (y = 1, = 0.8, = 1, = 0), 3 - (y = 1, = 0.8, = 0, = 1).



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.