Введение к работе
: Актуальность проблема
Изучєшіе физических процессов проводимости и електризацій! «идкнх слабопроводящих сред в электрическом поле является основним фундаментальным вопросом влектрогидродкнамики. Прохождение в этих средах, относимых к классу диэлектриков, хоть и малого, но конечного влектричоского тока сопровождается рядом особенностей, имоющих пирокое применение з технике (явления электрогидродшаиики). Устройства, основанные на явлениях злбктрогядродинамики ісопструктивно прости, компактны и обладают неограниченным сроком работа благодаря отсутствию твердих движущихся и трущихся элементов конструкции. Такие устройства в последнее время начали активно применяться в системах тепло- и массообкбка в условиях невесомости, в системах етш<авки устройств автоматики с исполнительными механизмами, перспектшаш они и в триботехкологии, СВЧ-техгоіке, адаптивной оптике. Широкая область технического применения ЭГД-явлетй! делает весьма актуальным экспериментальные и теоретические исследования электризующихся, поляризующихся и намагничивающихся сплопшнх сред, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями. Однако, существующие исследования фрагментарны, касаются лииь отдельных тем и не дает единой физической картины рассматриваемых ЭГД-явлений. Их описание ведется jra6o с устаревших позиций электрического разряда в газах, либо с позиций омической проводимости без учета процессов ценообразования на електродах. Попытки комплексного подхода страдают недостатком экспериментальных' данных и носят либо обзорный характер, не позволяющий сделать значительных выводов, либо не учитывают менлолекулярного взаимодействия ионов с окружающими молекулами аидкости, что оставляет непонятыми ряд экспериментальных фактов и не дает необходимого количественного совпадения теории с експериментом. В большинстве работ не прослежена связь электризации с электрической конвекцией жидкости, не достаточно описаны процессы электронного обмена на границе раздела жидкости с электродами и закономерности появления объемных электрических зарядов в области контакта "металл-слабопроводящая лсидкость".
В то же время известно достаточно большое количество
проверенных физических методов (ИК-спектроскопш, ренггено-структурного анализа, голографической интерферометрии, СВЧ-аондирования, и т.д.). позволяющих решить перечисленные вопросы в названной тематике. По сути дела,- речь идет об экспериментальном определении и аналитическом описании синэргетических особенностей поведения жидких слабопроводящих сред э электрическом поле с последующим применением полученных закономерностей в технике. Как будет показано в данной работе, синергетические особенности жидких диэлектриков заключаются в кластерном, локально упорядоченном строении кидкой слабопроводяцей среда, реализующемся в электрическом поле за счет ион-дипольного взаимодействия ионизированных, полярних и поляризованных молекул падкости. Для их изучения потребовался комплексный теоретический и експериментальний подход с привлечеиеы современных бесконтактных методов исследования, позволяющих надежно регистрировать малпе изменения параметров среди в электрическом поле.
Исходя из вышеизлококного, целью данной работы било комплексное экспериментальное и теоретическое исследование физических процессов ионно-кластерной проводимости и электризации слабопроводящих жидкостей в электрическом поло к выявление роли отих процессов в явлениях алектропщродинамики.
Лостивєшіє указаниой цели предполагало решоїшв следушщзк задач:
-
Модернизация изввстішх и разработка нових методов и аппаратнгп средств для исследования физичвсішх характеристик сплоэных сред с оольешм удельным сопротивлением.
-
Экспериментальное исслодовшше особенностей контакта металлов со слабопроводящима аидкостями.
3. Экспериментальное исследование особенностей химического к
молекулярного строения слаболроводящих хидкостей в электрической
поле.
4. Экспериментальное исследование объемной электризации
слабопроводящих жидкостей и ее связи с влектрической конвекцией.
5. Аналитическое описание ионно-кластэрной проводимости и
электризации гадких слабопроводящкх сред в электрическом поле.
Перечисленные задачи решены при следующих условиях: I. Разработанные метода и аппаратные средства независимы, бесконтактны, позволяет взаимный контроль результатов и фиксируют основные параметры кидкой слаоопроводящей среды во всем
пространстве между электродами в реальном времени и с возможностью последующей обработки на ЭВМ.
2. Исследуемые жидкости перекрывают по проводимости весь
диапазон существования электрогидродинамических явлений, а
контактирующие с ними металлы существенно отличаются по своим
эмиссионным свойствам.
3. Изучение физических процессов проведено в широком
диапазоне напряжении, охватывающем все рекимы развитой и
неразвитой электрической конвекции.
4. Подученные экспериментальные и теоретические результаты
сопоставлены друг с другом и не противоречат общепринятым
физическим закономерностям поведения сплошных сред в электрическом
поле.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые: Т. На современном экспериментальном уровне, при помощи нескольких независимых методик исследован контакт металл - кидкия диэлектрик и показано, что проводимость и электризация гадких слабопроводящих сред в электрическом поле осуществляется заряяенннми, молэкулярно-упорядоченннми микрообластями среда, образующимися за счет ион-дипольного взаимодействия ионизированных, полярных и поляризованных молекул жидкости.
2. В области контакта выделены плотная (адсорбированная на
электроде) и рыхлая (диффузная) части с различным характером
проводимости к показано, что проводимость плотной части имеет
преимущественно ионный и барьерный по напряжению характер,
реализуемый за счет электрохимической инжекции на электродах, а
также миграции и диффузии ионов в электрическом поле;
проводимость рыхлойчасти - ионно-кластердаЯ характер, реализуемый
за счет миграции и диффузии зарядовых кластеров в призлектродных
слоях и межэлектродном промежутке жидкости. Исследованы
электрофизические характеристики призлектродных слоев и их
зависимости от напряжения на электродах, состава жидкости и
материала электродов (по работе'выхода в вакуум).
3. Исследованы процессы электризации слабопроводящих
жидкостей в области малых и средних (допрсбойных) значении
напряженности электрического поля. В указанных слоях обнаружено
три вида неоднородного распределения напряженности электрического
поля, отражающих гетеро-, гомо-, и биполярный заряд жидкости у
электродов. Исследованы экспериментальные зависимости этого заряда
и поляризации среди от низковольтной проводимости ЖИДКОСТИ I! материала электрода (по работе выхода в вакуум). Виявлена корреляция этих. зависимостей с кинематическими характеристиками элвктрогидродинамическюс течений и показана определяющая роль электризации в развитии электрической конвекции жидкости.
4. Произведен расчет параметров зарядовых кластеров и характеристик их переноса в слаоопроБодящих жидкостях. Показано, что нонно-кластарная проводимость и злектризэция слабопрюьодящих жидкостей полностью описываются осноеноЯ системой уравнений влектрогидродинамики при, учете специфики характеристик переноса зарядових кластеров, который сводится к учету функциональных зависимостей коэффициента диффузии и хоаффициента подвижности носителей заряда от локальной напрянекности электрического поля в прйэлектроднш слоях жидкости.
Защищаемые положения .
-
' Оригинальные и модифицированные методы исследования физических процессов, протекающих "в области контакта металл -жидкий диэлектрик
-
Результаты экспериментальных исследований синэргетлческих. особенностей молекулярного, строения слаболроводящих жидкостей в области контакта с электродами, обнаруженные закономерности физических процессов их проводимости и электризации, а также доказательства , существования ионно-кластерного механизма проводїімости и электризации кидких сдабопроводящих сред в
. электрическом поле.
3. Аналитическое- описание . (модель) ионно-кластерной
проводимости и электризации слабопроводящих жидкостей.
Практическая значимость работы
Обнаруженное закономерности проводимости и электризации
жидких слабопроводящих сред ъ электрическом поле и разработанные
теоретические модели закладывают основу для создания теории
. усложненных сплошных сред, взаимодействующих с электрическими и
иагапткнми полями и дают рецепти усогершенетвовзітя технических устройств, основания на принципах злектрогіїдродинамнкії. Разработанные и усоверсенстзовзншо методики п аші-зратнта средства измерений когут найти аирокоа применение при решении наупккх п практических задач, связаннілс с физикой контактних процессов ъ оплошках средах.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работн докладывались на Всесоюзной научной конференции "Физика диэлектриков и новью области их применения" {Караганда, 1978), опганийоЕашгоя Московским, Ленинградским и Казахским госудзретБежкми университета!.!,'!; Пятом Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов (Кишинев. 1330), организованном институтом прикладной физики АгРМ; Республиканском научно-практическом семинаре "Голография в гггомтаденности и научных исследованиях" (Гродно. 1259), организованном Академией наук СССР, Госудэрстг-экк;;;-! комитетом т:о мзродкоку образованна СССР г. r;.o;i:-rs;ion;iv. государственна университетом; I и II Всесоюзном
Осногнко результату работы ояубдпковаш; з 33 статьях , тезисах докладов , в трудах конференция и совещания.
- б -
Личний вклад автора
В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором'
ЛИЧНО И ПОД вГО РУКОВОДСТВОМ ЕМ8СТЭ С учеНИКаМИ А.В.ЕСИПКОМ,
Л. В.Кропочевоя, В.Ю.Ступакевичем. Доцент Б.А.Лиопо и преподаватель В-В.Война оказали иетодачэскую помощь в постановке эксперимента по рентгено-структуркому анализу, доцент Т.И.Ковалевская - по ИК спектроскопии. Ряд работ выполнялся совместно с ШШ физики Санкт-Петербургского университета (Ю.К.Стиеков, А.А.Остапенко). Вклад автора диссертации в упомянутые визе публикации заключался в определении направления и постановке конкретной задачи исследования, в разработке методик экспериментов и расчетных моделей, непосредственном участии в выполнении измерении, проведении анз.лїза и обобщении полученных результатов.
Исследования по теме "были начаты з 1978 года б ЛГУ, основная часть диссертационной работы выполнена на кафедре радиофизики и злоктроншш Гродненского государственного университета им.Я.Купалн ъ Т983-І994 годах в соответствии с плановыми научныын исследованиями по темам, входяїдим в планы АН СССР, All БССР, КЗ И ССО СССР.
Структура работа
Диссертация состоит из введення, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Полный объем работы составляет 201 страницу, включая 1 рисунок, 5 таблиц и 203 наименования цитируемой литературы.
