Больше эффектов, хороших и разных…

Отнюдь не желая бросить тень на науку XX-го века, мы все-таки должны признать — до стижения современной цивилизации зиждутся на физических, химических и биологических явлениях, открытых в XVIII и XIX веках. Их можно долго перечислять, но будет лучше, если читатель сам ознакомится с темой по материалам реферативных изданий XIX века (да, да, уже были и такие издания!). Век же XX достойно навел обоб щенный порядок в осмыслении явлений, их взаимосвязи и практических приложениях.

В XVIII и XIX веках эти эффекты никто не предсказывал, и никто не искал, природа сама выкладывала их на стол экспериментатора, работавшего с простейшим инструментарием, в практически бытовых условиях. И такое благостное состояние оказывалось возможным только потому, что эти эффекты были весьма устойчивы в своих проявлениях и самой природой выделены среди сопутствующих (маскирующих и нейтрализующих) явлений.

Следующий шаг был сделан в веке XX-м, когда была изучена масса ранее недоступных природных эффектов и развернут синтез теоретически предсказанных явлений, отсутствующих в природе. Тут же возник вопрос, по какой причине всесильная и многомудрая природа не реализовала этих явлений, но это уже другая проблема. В середине XX века Б.С. Сотсковым была сделана попытка создать кадастр физических эффектов (не будем обсуждать их дефинции!), где их число измерялось тысячами. Применение находил, приблизительно, каждый сотый эффект. Основной массив среди последних составляли, как и сейчас, эффекты, открытые в XVIII и XIX веках.

Объяснение полумистической корреляции между эпохой открытия эффекта и его востребованностью, на наш взгляд, состоит в том, что если природа выложила наглядный эффект на поверхность, значит он должен быть где-то самой природой тиражирован и использован. В настоящее время подобные эффекты иначе как случайным подарком природы назвать нельзя. И, похоже, нашему коллективу выпал такой презент. Речь идет о наблюдении эффекта возникновения и развития ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ диэлектрической проницаемости. Парадокс свидетельствует о ВСТРЕЧНОМ ДВИЖЕНИИ ОДНОИМЕННЫХ ЗАРЯДОВ в приложенном низкочастотном электрическом поле.

В таблетке, прессованной из полимерного порошка полиакриловой кислоты, захватившего атмосферную влагу, была найдена в некоей области частот и температур зона отрицательной диэлектрической проницаемости, образовавшаяся без всякого внешнего воздействия. Зона выделена голубым цветом на рисунках общего плана (Рис. 1а) и увеличенного масштаба (Рис. 1b). Объяснение эффекта оказалось совсем простым. Зона начинается при 65°С, т.е. при температуре ухода связанной воды со стенки нанопоры, содержащей влагу. По мере повышения температуры, количество свободных, ушедших со связи, частиц и их энергия возрастают, и частотный интервал зоны расширяется.

На рис. 2 представлена модель формирования отрицательной компоненты диэлектрического отклика образца. В матрице образца (показана точками) имеются дипольные фрагменты структуры 1 с упругой связью между зарядами и матрицей. В ней же располагаются нанопоры, заполненные поляризуемой средой, возможно осмотической водой (3 — стенка нанопоры).

При Т<65°С (рис. 2а) эффективный заряд 4, созданный связанной водой на стенке поры, упруго связан с активным адсорбционным центром 2 стенки поры, и эта связь создает возвращающую (восстанавливающую) силу, отвечающую за один из классических механизмов поляризуемости среды. Повышение температуры Т>65°С уводит эффективный заряд 4 со связи с адсорбционным центром 2 (рис. 2b) и, таким образом, освобождает его от воздействия возвращающей (восстанавливающей) силы. Эффективный заряд 4 приобретает свойства квазисвободного заряда, смещения которого в переменном электрическом поле уже определяются механической массой (инерцией) заряда и сопротивлением среды поры его движению. Фаза смещения заряда 4 принципиально должна отставать от фазы поля вплоть до отклонения на 180°. Этот предельный случай формирует отрицательную компоненту диэлектрического отклика. Отрицательная компонента сосуществует в реакции образца с положительным вкладом отклика матрицы. Итоговые значения проницаемости и потерь представляют собой суммарное значение «+» и «-» компонент на конкретной частоте.

Эффект отрицательной диэлектрической проницаемости должен иметь место в твердотельных матрицах и композитах, в которых присутствует элемент структуры, лишенный возвращающей силы, вне зависимости от механизма этой особенности;

Описанный разностный механизм приносит два ожидаемых следствия:

1. Возможность создания абсолютного изолятора со значением диэлектрической проницаемости равным нулю;

2. Создание третьего, в дополнение к емкости и индуктивности, типа реактивного сопротивления (рис. 3).

На рис. 3 представлены частотные зависимости модуля |Z| и фазового сдвига между напряжением и током j для емкости, индуктивности и, условно говоря, «отрицательной емкости», которую представляет собой образец в зоне отрицательной проницаемости. Последний, сохраняя значение модуля как у емкости, характеризуется фазовым сдвигом как у индуктивности, формируя своеобразную «твердотельную индуктивность».

Это качество уже используется для создания таких элементов в интегральных схемах технологическими операциями микроэлектроники. Открытие третьего вида реактивного сопротивления, в комбинаторик |Z| и j логически указывает на возможность создания «отрицательной индуктивности» и ставит увлекательную задачу по поиску ее физического механизма.

Материалы исследования опубликованы в статье: Gavrilova N.D, Malyshkina I.A., Novik V.K., Vorobiev A.V., Negative dielectric permittivity of poly(acrylicacid) pressed pellets. Journal of Non-Crystalline Solids, v. 452, pp. 1–8. 2016.

В.К. Новик