Электродинамические процессы в дисперсных системах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

И. В. МАЛЫШЕВ, Н. В. ПАРШИНА

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 

В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2017

УДК 538.3 (075.8) + 621.371(075.8)
ББК 22.338я73 + 32я73

М207

Печатается по решению кафедры радиотехнической электроники 

Института нанотехнологий, электроники и приборостроения

Южного федерального университета

(протокол №5 от 18.01.2017 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник И. М. Пономарёв

кандидат технических наук, доцент С. П. Авдеев

Малышев И. В.

М207
Электродинамические процессы в дисперсных системах : учебное 

пособие / И. В. Малышев, Н. В. Паршина ; Южный федеральный 
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного 
федерального университета, 2017. – 103 с.

ISBN 978-5-9275-2724-3
В учебном пособии приведен базовый теоретический материал 

для курсов «Взаимодействие когерентного излучения с веществом» 
и «Техническая электродинамика», в котором рассматриваются основные свойства и параметры дисперсных систем и особенности 
распространения в них электромагнитных волн. Пособие предназначено для курсов, читаемых для бакалаврских направлений подготовки 11.00.00, но может представлять интерес и для других направлений. 

УДК 538.3 (075.8) + 621.371(075.8)

ББК 22.338я73 + 32я73

ISBN 978-5-9275-2724-3

© Южный федеральный университет, 2017
© Малышев И. В., Паршина Н. В., 2017
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

1. Свойства и параметры дисперсных систем и особенности 
распространения электромагнитных волн в них..............................................6

1.1. Дисперсные системы....................................................................................6

1.2. Классификация и основные физико-химические особенности 
дисперсных систем..............................................................................................7

2. Основные электродинамические соотношения для компонент ЭМВ 
в объёме дисперсных сред................................................................................35

2.1. Дисперсия и поглощение. Основные понятия.........................................35

2.2. Поведение ЭМВ на границе двух сред.....................................................38

2.3. Естественный и поляризованный свет. Поляризация при отражении..41

2.4. Нелинейные волны в дисперсных системах............................................46

2.5. Нелинейные волны в среде в отсутствие дисперсии и диссипации......47

3. Распространение электромагнитных волн в разноструктурных 
дисперсных средах ............................................................................................49

3.1. Описание распространения света в бианизотропных структурах 
на основе метода матриц ..................................................................................49

3.2. Материальные уравнения в бианизотропных средах .............................51

3.3. Волны в нелинейной среде с диссипацией..............................................60

3.4. Волны в нелинейных средах с дисперсией..............................................64

3.4.1. Среда с дисперсией в области высоких частот ....................................64

3.4.2. Среда с дисперсией в области низких частот.......................................68

3.4.3. Среда с дисперсией и диссипацией .......................................................69

3.5. Распространение волновых пакетов.........................................................70

3.6. Распространение нелинейных волны в средах с неустойчивостью......72

3.7. Закон дисперсии в неодномерном случае................................................75

3.8. Неполиномиальные дисперсионные соотношения.................................76

Оглавление

4

4. Основные радиофизические способы и методики для исследования 
дисперсных биологических систем..................................................................80

4.1. Основные радиофизические способы поиска частотно-зависимых 
биологических эффектов корреляционным методом ....................................80

4.2. Экспериментальные данные о биологическом действии 
миллиметровых волн.........................................................................................81

4.3. Корреляционный метод исследования дисперсных биологических 
сред при воздействии миллиметрового излучения ........................................83

4.4. Общий принцип радиофизической реализации корреляционного 
метода..................................................................................................................88

4.5. Двухмодовый способ контроля резонансных свойств биосреды ..........92

4.6. Интерференционный способ исследования дисперсных биосистем ....94

4.7. Низкотемпературная и капиллярная методики исследования 
дисперсных биологических систем..................................................................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................101

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...............................................................................102

ВВЕДЕНИЕ

Мир, окружающий нас, как и мы сами, состоит из различных сложно
организованных дисперсных систем. Их изучение представляет особый интерес и составляет основу изучения многих дисциплин, среди которых 
«Взаимодействие когерентного излучения с веществом», "Техническая 
электродинамика", "Химические процессы в конденсированных средах"
и др.

Большое разнообразие различных признаков, совокупность физико
химических свойств, изменчивость и невоспроизводимость отличают дисперсные системы от реальных растворов и твердых тел.

В данном учебном пособии рассмотрены базовые теоретические физи
ко-химические электродинамические основы процессов, происходящих как 
в дисперсных системах, представленных в структурированном виде, так и в 
результате их взаимодействия с электромагнитными полями. Приведены 
соответствующие классификационные таблицы и иллюстрационные материалы.

Как известно, все волновые процессы можно разделить на два класса: 

гиперболические и диспергирующие. Название «гиперболические» происходит от того, что для определенных волн их распространение описывается 
гиперболическими уравнениями в частных производных. Возможно, это 
определение не совсем объективно, поскольку главным критерием является 
наличие или отсутствие дисперсии в системе. Этому вопросу и посвящено 
настоящее учебное пособие.

1. СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 

И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В НИХ

1.1. Дисперсные системы

Дисперсные системы – системы гетерогенного типа, которые состоят из 

растворителя – дисперсной среды и растворенного вещества – дисперсной 
фазы.

Основным свойством дисперсной среды является наличие большой 

межфазной поверхности в объёме, поэтому свойства объёмных поверхностных взаимодействий являются наиболее значимыми [1].

Дисперсные системы характеризуются следующими величинами
1. Поперечный размер частиц дисперсной фазы (а). [м]:
- это диаметр сферы (d) для сферических частиц,
- это ребро куба (l) для частиц, имеющих форму куба.
2. Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру 

частиц a: 

            
(1)

3. Удельная поверхность (   ). 
Это межфазная поверхность (    ), приходящаяся на единицу объема 

дисперсной фазы (V) или её массы (m): 

    
       

   

Для системы, содержащей сферические частицы радиусом r:

    

    
  

    

     
⁄
 

 

  

 

 .
(2)

Для системы с кубическими частицами, имеющими размер ребра l,

имеем

    

   

   

 

 .               
(3)

Общий вид этих соотношений можно записать в виде

      

 

     ,  
(4)

где К – коэффициент, зависящий от формы частиц (для сферических и кубических частиц К = 6).

1.2. Классификация и основные физико-химические особенности дисперсных систем 

7

Из (4) следует, что удельная поверхность прямо пропорциональна дис
персности и обратно пропорциональна размеру частиц. Повышение раздробленности частиц, входящих в  систему, т.е. её дисперсности,    будет 
резко возрастать.

1.2. Классификация и основные физико-химические 

особенности дисперсных систем

Микрогетерогенные многофазные системы называют дисперсными, ес
ли они содержат дисперсную фазу, состоящую из множества мелких частиц, которые равномерно распределены в жидкой, газообразной или твердой дисперсионных средах, и характеризуются определенными параметрами и признаками (рис.1).

Дисперсные системы и их взаимно-нерастворимые компоненты

Дисперсные фазы
Дисперсные среды

Равномерно-распределённые

раздробленные частицы

Равномерно-распределённая 

непрерывная однородная среда

Формы:

частицы, капли, пузырьки
Формы:

Жидкая, газообразная, твердая
Параметры:

размеры – a, площадь – S, объём – V

Общие параметры:

- Дисперсность: D = 1/a;

- Удельная площадь поверхности: Sуд = S/V;

- Межфазное натяжение: σ;

- Свободная поверхностная энергия: Gs = σS

Признаки:

- Гетерогенность;
- Дисперсность;

- Равномерное распределение

Рис. 1. Общая характеристика дисперсных систем

Эти системы классифицируют по размеру частиц дисперсной фазы, по 

агрегатному состоянию и взаимодействию как самих дисперсной фазы и 
дисперсионной среды, так и взаимодействию их частиц (рис. 2).

1. Свойства и параметры дисперсных систем и особенности распространения ...

8

Процесс получения дисперсных систем может быть реализован в ре
зультате применения большого числа физико-химических преобразований 
(рис. 3). Среди них можно выделить системы естественного происхождения, которые устойчиво могут существовать при соблюдении специальных 
условий. К ним относятся киральнозависимые, т.е. те, которые содержат 
зеркальноориентированную фазу, состоящую из симметричных относительно вертикальной оси частиц [1]. Среди дисперсных систем отдельное 
место занимают коллоидные системы, к которым помимо лиофобных коллоидных растворов относят растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ) 
и растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ). Свойства этих систем 
характеризуются общими параметрами, часть из которых дублирует друг 
друга. Частицы дисперсной фазы, отличающиеся в коллоидных системах 
по их типу и строению, называют мицеллами (рис. 4). 

Ниже приведены основные классификационные таблицы и рисунки, 

которые характеризуют дисперсионные свойства систем:

- молекулярно-кинетические (рис. 4, 5);
- оптические (рис. 6);
- электрокинетические (см. рис. 6);
- параметрические (табл.1, рис. 7);
- практические применения (рис. 8, 9).
Почти все лиофобные дисперсные системы имеют избыточную свобод
ную энергию и являются термодинамически неустойчивыми и неравновесными. Они могут существовать очень долго и это является их особенностью, определяющей их агрегативную, кинетическую и фазовую устойчивости, которые обусловлены самыми разнообразными факторами (рис. 10). 
На рис. 11 приведены основные факторы нарушения устойчивости (коагуляции) дисперсных систем. Согласно теоретическим заключениям устойчивость и коагуляция дисперсных систем обусловлены балансом сил притяжения и отталкивания частиц дисперсной фазы при их сближении, что 
проиллюстрировано на рис. 12. На рис. 13 приведены возможные действия 
электролитов, которые вызывают коагуляцию дисперсных систем, а влияние факторов, влияющих на их устойчивость, проиллюстрированы 
на рис. 14.

В табл. 2 и 3 приведены основные методы разрушения дисперсных си
стем под действием физико-химических факторов и методы очистки коллоидных растворов от примесей низкомолекулярных веществ.

1.2. Классификация и основные физико-химические особенности дисперсных систем 

9

а ≤ 10-9 м
Гомогенные

(молекулярно-ионно-дисперсные)

Истинные
растворы

а = 10-9– 10-7 м
Ультрамикрогетерогенные

(высокодисперсные)

Коллоидные

системы

а = 10-7– 10-5 м
Микрогетерогенные (низкодисперсные)
Грубодисперсные

системы

Обозначение

системы

(фаза/среда)

Тип системы
Пример системы

Т/Ж
Золи, суспензии
Природные воды, золи металлов,

других веществ, микробы

Ж/Ж
Эмульсии
Молоко, нефть, смазки

Г/Ж
Газовые эмульсии, пены
Мыльная пена, муссы

Ж/Т
Пористые тела, гели
Адсорбенты, почвы, минералы

(опал, жемчуг)

Г/Т
Пористые и капиллярные 

системы, ксерогели

Пемза, силикагель, пенопласт,

активные угли, почва,

горные породы

Т/Т
Твёрдые растворы

внедрения

Минералы (самоцветы), сплавы

(сталь, чугун), бетон

Т/Г
Аэрозоли (пыли, дымы)
Табачный дым, угольная,

мучная пыль, порошки
Смог

Ж/Г
Аэрозоли (туманы)
Туман, кучевые облака, тучи

Г/Г
Газовые смеси
Атмосфера земли

Рис. 2. Классификация дисперсных систем

(размер частиц a)

Дисперсность

Взаимодействие

дисперсной фазы и

дисперсионной среды

Взаимодействие 

частиц дисперсной 

фазы 

Взаимодействие

частиц дисперсион
ной среды

Лиофобные

Лиофильные

Свободнодисперсные

Связно
дисперсные

Классификационные 

признаки 

дисперсных систем

Агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды

1. Свойства и параметры дисперсных систем и особенности распространения ...

10

Рис. 3. Методы получения дисперсных систем

1.2. Классификация и основные физико-химические особенности дисперсных систем 

11

Рис. 4. Строение коллоидной мицеллы различных типов