Введение к работе
Актуальность топа.
Актуальность даяксЗ работа гаялэтввтся в том, что в язЗ вдервав на соврзизквоы экатрамантаяьноы уровня изучон Еоитахт твердого тела (металла) со олабопроводящзЖ ввдкоотлГ). Этот контакт, в отлачвэ от хорозо Езучетзхкх контактов твердих тая, а гзкаэ контактов твердых тал о обычнэш (ааелактрнзупсвшся а нополярззупзтаиоя) яазггастйхи езжэг ряд особзазоотей, поззоляхяих его широкое прякшовЕЭ а аяэктронаяо а отактрогздродшазске. Устройства, основонвнэ на его прЕЯэнзнзи, ксжотруятзЕно проста, компактна и обладает нвогршзчвншзи сроком работа благодаря отсутствии твардах данкуцахся а трзпдасса влзкэвтоз копотрукцзз. Они Еарсгактавьш ппя стакккэ снстга евтоштййз: о псподкитвльЕШя кдгшиггм&чг, вирако врхмэЕЯПтся а шгстокзг тарморвгуяяиші п теплообмена, it, область нх тэпвгсзского пртгапзЕвл постоявзо
Р80ТЄТ. ОСНОВЕКЫ ВОПРОСОМ ЗДОСЬ ЯЕЛЯЭТОЯ ЕЗУЧЗЕКЗ ПрОЦЭССОВ
элактркзацЕИ кіднсстск з элзктрнчзсЕСм полз. Гоорэтачэскоз описание отого явлэстя тсрноздтся недостачей Бйссэрзнзнталышх данных я отсутствием вх сгстекатвааіша. До csx пор в пояюа кэрэ не виявлена дкншака а ваконокэрзости элзктрЕзаща швэхвктрожяого дрокеаутка ( ЬЭП ) а пркэлэктродшгх oSssctst яядкссти. Недостаточно Есохэдоззна ЕагЕскгостз: нврккегроз злкяразеши ( св-ьвызый заряд, галярззЕцгя орвдя ) ог взявшей я гкшрзэоти прилоквнЕого наяряхенвя, состзвз яндйостй а квтэрзвяа елзетродоз. Недостаточно cnscsna взайдасзязь влзктрззацза: о злгктрвчаскса конвекцией ездкоотіі. Дяя рзгзнкя агвх зопроооэ кеобходан цолэвааравлэннШ взспарлігпт о врявлэчвЕпза оовреканякх бесконтактных катодов гсслэдовснкя, обладиара пэзиззяноЗ чувотЕзкальноотьо г ргарзяащез сгоообкостьз к калам езшнзшив* паракэтроа аявнтрташпсї ерзди.
ЦеЛЬО ДаВЗОЙ рЕЙОТЯ КаяГЭТСЯ ВКСЯЗріг*3!П!Ш,ШЗ ИООЛЭДаЕаПЯа
фтаачэошх процессов, протокеоях в обдаетз контакта металла %-і олаоопроводящэа гздкостьэ пря hsbossksjj влбктричесаого поля, варьврованш состава зїдяозтз, материала'- електролов а валачшш пралоЕвшого аапрязвввя. '
_ 4 -
Задачи, Еытекаюцие us поставленной цели:
ГГ Исследуемые жидкости должны перекрывать по низковольтной проводимости весь диапазон существования влвктрогидродинамических явлении.
Z. Контактирущие мэталлы должны существенно отличаться по свои» эмиссионным свойствам (по работе выхода електрона в вакуум).
3. Шучение физических процессов, протекапдах в оОлаоти
контакта должно быть проведено в широком диапазоне напряжений,
охватывающем ренины развитой, и неразвитой влектричэокой конвекции.
-
Методы исследования долины быть бесконтактными г фиксировать основные параметра кадкой фазы в реальном времени во всем пространстве . иевелектродаого лроыеаутка с возможностью взаимного контроля результатов.
-
Полу чинные результаты долита быть сопоставлены с известными результатами других авторов.
На защиту выносятся положения: ...
I. Оригинальный ме эд СВЧ-зондирования и модифицированный метод голографической интерферометрии для исследования контактних явлений в слабопроводящих кидкостях.
Z. Экспериментально обнаруженные закономерности процеооов формирования в области средних (допробопннх) значений капряхэнноотей Електркческого поля заряженных и поляризованных приэлектродаых слоев жидкости.
-
Экспериментально обнаруженные закономерности изменения параметров электризации приэлектродных слоев жидкости при изменении напряженности електрического поля,, составе аидкооти п материала электродов.
-
Экспериментально обнаруженные закономерности влияния электризации олабопрозодящих кидкоотей на их влектричеокув конвекцию.
Б. йонно-кластершй характер электризации слабопроводящих жидкостей в электрическом поле.
Є. Рекомендации для разработки а конструирования новых и более эффективных технических устройств, ооноваяяых на применении влектрогйдродинамических эффектов.
Научная новизна и практическая ценность.
Описаны процессы электризации жидких слабопроводящих сред в области средних (допробойных) напрякенностей электрического поля и установлен механизм формирования поляризованных заряженных диффузионных и плотных частей приэлектродных слоев жидкости.
В указанных слоях обнаружены экстремальные зависимости объемного заряда и поляризации среды от низковольтной проводимости жидкости и работы выхода 'электрона из материала электрода в вакуум. Выявлена корреляция этих зависимостей с кинематическими характеристиками электрогидродинаюпеских течений и показана определяющая роль электризации в развитии электрической конвекции жидкости.
Предложена модификация теории электризации слабопроводящих яидкостей в области контакта с электродами, заключаищаяся в учете кластерного строения приэлектродных областей.
Разработан оригинальный метод СВЧ-зондирования для исследования контактных явлений в слабопроводящих жидкостях и модифицирован известный метод голографической интерферометрии с целью получения непрерывной цифровой видеозаписи интерферогрэмм в реальном времени.
Даны рекомендации для разработки и конструирования новых и
более эффективных технических устройств, основанных на применении
элоктрогидродинамичес:шх эффектов. Исследования выполнялись в
рамках госбиджэтной КИР кафедры радиофизики и электроники
Гродненского госуниверситета " Электродинамика неїдких
слабопроводящих сред ", N гос.регистрации 01920004907.
Личный вклад автора.
Диссертация отражает личный вклад автора в исследования, все экспериментальные и теоретические результаты получены самостоятельно.
Научному руководителю кандидату фззико - математических наук, доценту Рцчкову Ю.Н. принадлежит общая постановка задачи и анализ полученных результатов. Преподаватель кафедры радпофизики и электроники Нропочева Л. В. оказала помощь при обработке результатов экспериментов.
— s-
Апробацая работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на республиканском на„-чно - практическом семинаре "Голографи в промыол&нности и научных исследованиях" (Гродно, 1989}, организованном институтом тепло- и массообмэна им. А.В. Лыкова АН БССР, институтом фізики АН БССР, институтом алектроники АН БССР Белорусским научно - исследовательским институтом технической информации и технико - вкономячвских исследований Госплана БССР и Гродненским государственным унивдрситетом; II Всесоюзном семинаре "Физика быстропротакаицих и плазменных процессов" (Гродно, 1989), организованном Акадэмиэй наук СССР, Государственным комитетом до народному образовании СССР и' Гродненским государотенным университетом; I и . II Всесоюзных семинарах-совещаниях "Злектрогадродинамика и электрофизика кидких диэлектриков" (Санкт - Петербург 1989, 1391), организованным научно - исследовательским институтом Ленинградского государственного университета и опытно -конструкторским бюро " Новик " при Ленинградском техническом университете; III Мекреспубликанском семинаре "Физика быотропротекащих плазменных процессов" (Гродно, 1992), II Международном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно, 1993), организованном Советом по акустико и оптической обработке ьиформгпаи Российской Академии Наук, Российским научным центром " Институт им. й.В. Курчатова ", институтом радиотехники и елекгронпк". Российской Академии Нвук , Московским инженерно - физическим институтом и Гродненским государственным университетом на базе Гродненского домв науки и техники.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 2-х статьях и 6-й тезисах докладов. l
Обхем и структура работы.
диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Список литера?"тщ включает 107 наименований, работа выполнена на 105 страницах, содержит 39 рисунков и I таблицу.
сощя&ШЕ работы.
Во введения обосЕовена актуальность исслэдовааяя,
сформулирована его цель, указшш научнзя коЕкзна и практическая значимость работа, перечислены зегетаекко пологзняя.
Первая глава содэргят кратки обзор работ, посвященный экспериментальному и тооретачэскому ноолвдавзншо гндхпх олэоопроводяащг сред в эяэктрвческсм пол». Однаы ЯЗ ОСНОВНЕ! аопроооз здесь является изучение электряззызи гшдкостей при надоганяг здэктрзческого поля . Теоре'пгческсэ ошгсаягэ . отого явления тормоздтоя недостатком зхспврзнэнталыгах даЕвых и отоугствиек кх систсмэтнзацгл. В результате азалпза литературных денних похазано, что наскотря на прозэдзнниэ гсолэдозвнкя объемного' заряда дпЕЕгдзга его йорякрозашя, зависимость от материала элактрода и состава гадкоогя ооталзоь нэ 'изучена. Нэ бало учтено и квнэквгав молэкулярлей структура гаджосга а электрическом поле. Простої подсчет показісаат, что пра наблюдавдихся степэнях диссоциаций а < КГ6 пз одяя ион приходятся но менре 10е- 10а нейтральних иолэкул. ияяаств, сосаввтетванко я движение евдкосги в электрическом пасе когзт пэтетьоя ера уолоиеа того, что каздай son будет "шороетн" в колзкуляргаЖ комшяжо, состоящий как минимум, из І05 колэкул гздкозтп. Еот-зсгпэнно, что эти комплексы, получкзггэ название зарядоик клгетэроз, изгоняет структуру ssuikocth н придеот ей ноше свойоаза. Для as. учета иэобходс* цэлэпапразлешшЗ вкспэргкент с прзвлзчеягэя севрз^ннвх бесконтактных методов исследования, пеэвеляпдгх провэота нзучензэ как самой олзктризацпп задкоста пра варьировании ов состава, материала электродов а ввпрягэЕноста влектричэского поля, так а оопостаЕЯТь полученшз пакояомзрноотп о ішюіштяческхкя характеряатшеамг елэктротэупюдиЕаетчэсжг тзчепяЗ.
Во второй главе излоазна иэтодака всолэдозвпв* к пряведенк результаты ігіаршка елэктркзеетз прзэлэктродкых облпстсЯ слаОопроводдяих гадкоотой. иатадоа (ЩЧ - зонднросаакя. Дродлоязнний в диооертацот метод игкареняй сводятся в рогтитрвция распределения напретоюгастз одактричзекого юля а кзме,. ітвльво* линии для стоячая волна Ht0 трвхоантаж-трозого двшгазона і pad ) При запояяекгн .югавтн ( 'К ) сшабопрсаодяяэй Ендкгстыо с
Цифровой вольтметр
Рисі D
Схвиа мэтода СШ - зондирования гривлэктродных областей изолнрупцгас гэдкоствй.
d Екм]
t ГненЗ
' Рко.2
Завнышооть голщнкы привдактрсдаїшс злоев ст врэаеки при
фиксированном калряжекнк на електродах. ( І'вдккв'влвктродн,
1 S - раствор БО в ТИ, U » 1кВ ). Различные кршзш соотвзтсгбівт: ( + ) - слой у анода, ( - ) - слой у катода.
относительными проницаемостями є я ц в стоячей волне происходит сдвиг узлов ( L ) и изменение коэффициента стоячей волны ( г ). При включении постоянного напряжения на электродах кюветы ( рамка - плоскость ) образуется слой повышенной проводимости, смещающий узел стоячей волны та дополнительную величину ( All ), по которой моано определить среднхя толщину слоя ( d. ) и приращение в нем диэлектрической прошщЕвмооти ( Л є ) "исходя Ез выракений:
'- ' L ' ЛЬ
d « AL и As' = 2 ( I + ) — . (I)
проводимость среда в слое, при этом определяется как:
о= -— /*~ТГ (2)
г2 D Y
В качестве исследуемых аидкоотей были выбрани растворы бутилового спирта ( ВС ) в трансформаторном масле ( ' ТМ ) с удельной низковольтной проводимостьв от Ю-12 - 10-т См/м. В качестве электродов использовался набор плоскостей и рамок из In, Cd, Zn, Al, Ре, Cu, Иі, От с работой выхода электрона из материала электрода в вакуум от 3,8 до 4,6 эВ.
Проведенные исследования показали, что в области средних (допробойных) значений напряженности электрического поля соотввтствувцих режимам неразвитой и слабой электрической конвекции ( I03 - I05 В / м ) а приэлэктродных областях слабопроводящих аидкостей происходит поотепенпоэ ( в течение 20 -20 кинут ) увеличение толщина плотных частей пряэлектродных слоев повышенной проводимости непосредственно примыкавших к электродам ( рис 2. ). Установившееся во времени увеличение толщины плотных частей приэлэктродпых слоев а их диэлектрическая проницаемость зависят от напряжения на. электродах и низковольтной проводимости «еасэлэктродного промокутка ( рис. 3 ). їолщпна приэлэктродного слоя и его диэлектрическая проницаемость достигают .своих
-IO-
ci [UK] 0.1S 0.12 0.08 0.04
^To
-a
о ССи/мЗ
Рис.3
Зависимость максимальной толщины призлектродных олоэв от
низковольтной проводимости ыэхвлвктродного промежутка.
( Ивдные електрода, (I » ІкВ, раствор КЗ в ТМ ). Различные
кривые соответствует: { + ) >- слой у анода, С - ) - слой
у катода.
3.8
4.0
4.2
4-4 4.6 -АяхІвВ]
Рис. 4
Зависимость ташцикы призлектродных слоев от материала алектродов
г.э расэтэ выхода в вакуум. ( Одинаковый иатариал алэктродов, 5 %
раствор ВС в Тй, U,- 2кВ ). Различные кряшэ соответствувт:
I + ) - сдой у анода, ( - ) - слой у катода..
- п -
максимальных значений при напряжениях соотвэтствухщих режиму развитой электрической конвекции. Дальнейшее изменение толщины и диэлектрической проницаемости слоев проявляется линь при изменении материала электродов, что связано с зависимость!) процессов электрохимической инхвкции зарядов на электродах от работы выхода електрона из материала електрода. Соответсвущая зависимость по работе выхода в вакуум показана на рис 4. Наблвдашдйся здесь екстремум толщины приэлектродного слоя у катода объясняется минимумом разности работ выхода из материала электрода и углеродной органики.
В третьей главе изложена методика исследований и приведены результаты измерений электризации межэлектродного промежутка и рыхлых частей приэлектродных слоев жидкости методом голографической интерферометрии.
Примененный метод позволяет регистрировать дифференциальные изменения показателя преломления жидкости путем сравнения ее возмущенного (с полем) и невозмудевного (без поля) состояний, что позволяет в дальнейшем по измеренным значениям Д. я определить и лекальные значения напряженности электрического поля и объемного заряда.
Проведенные исследования показали, что в приелектродннх областях олвоопроводящих жидкостей сразу после включения напряжения на електродах в течение времени мвксвелловской релаксации формируются рыхлые привлвктроднне слои толщиной 0,4 -0,6 мм с отличными от центральной части межэлектродеого промежутка электрофизическими параметрами жидкости. Типичное распределение этих параметров по межэлектродному промежутку показано на рио.5.
Распределение параметров жидкости а рыхлой части приэлектродного слоя зависит от низковольтной проводимости жидкости. Соответствующая зависимость, полученная в условиях слабой конвекция приведена на рис.6.
Экстремальный характер зависимости электрофизических характеристик от проводимости в центральной части мегэлектродвого промежутка может Сыть объяснен противоборством двух факторов: увеличением числа ионов при рооте проводимости среда о одной стороны, и уменьшением при тех so обстоятельствах размеров ион - дипольних оболочек с другой стороны. Влияние материала электродов при этом объясняэтоя балансом скоростей
W)
-(-)
г-
\
\
( + )
*
' і ' ' і і i__i і і і і—і
0 1 2 Х.ГммЗ
. Рив.5 . Усрэднекное распределение откоситэльного изменения показателя преломления її иеталектродном промежутке. ( Мэддае електрода, I % раствор БС в ТМ, ІГ - 2,8 яВ ).
ІЬл.
0.6
0.4
0.2
10 О ССмЛіІ
' Рео.6 ; , Заьисииосгь максимального изменении показателя пралошгения . жидкости з прззлэк!родноа слое от прсшодимоога срода. . Мецкнэ электрода» раствора НО з ЇМ, U - 3 кЗ ).
- ІЗ -
возникновения н нейтрализации ионов на електродах, зависящим от разница в работах выхода пз ех квтэриалсв. Пра увеличении этой разницы концентрация таскошэншрсвзЕЕнх ионов, объемный заряд н поляризация орвда возрастают, при уменьшении - падают.
В чэтвэртсй главе проведен сопоставительный анализ электризации сла&эпроводящих яидкостен с наблэдащимися в них элвктрогидродянакичэскини ТЭЧЗЯШЗКИ.
Проведанный анализ показал, что наблвдввше в этом случае
функциональные зависимости параметров электравящпг сдабояроводощнх
агадкостэй ( толщина приэлэктродацх слоев, их сбьемний зпряд в
поляризация ) от капраяепия и его полярпоотя на електродах,
низковольтной проводимости мэжэлектродного црокэзутка ггдкоста а
материала злэктродов полностью коррелируют о поведением и
кинемотпчесасжи характершзтгкака алектрогидродинЕмяческшс
течений, возникащих и втих срэдах. Нзблвдзеиая корреляция указывает на опредэдящув роль елэктрнзадня в развитии электрической конвекции йздкоота. Обобэдены результаты эксперЕмзнталышх псслздованяк" з дано качественное ониовниэ механизма электризации Езолирущнх яидкоагез в вдзктргчвоком поле. В основу механизма электризация пологвн учет взващдввстетя аоков с нейтральнкш молэкулгш видкоотя и идаэгява пркамктродаых реакций. Ионн, вознвкак!5гэ г ореда ва отег дазсоцсшвш электролитических пргшсэн я влег~-=іхкгач9слз2: ровкцггЗ на электродах вступавт во взаийодэЕотвж. нэйтрзлкшяст молекулами квдкоотн и движутся двлоэ к алєктродан в окруизнан оболочек ва большого чиола полярных я полярноовапнах далзхул ( зарядовых кластеров ). Вблизи влвктродов вврядошэ кластера образуй1 слои объемного варяда, отвечаэиие за влгктризвцяэ всей яядкоотя. В диссертации оделана оцанка количэотва нолэкул, содервЕЯЯхея в зарядовом кластере я показано, что в олучйе полярной примаса, типа бутилового спирта, оно монэт достигать вначэниЗ до І07 молекул на один ион. В олучвэ чистой неполярної крикася чеоло колакул о кластере уменьшается ез 3 - 4 порядка. Это позволяет объяснит-экстремальный характер аавасгжкютей пврг^етров олектризацип от проводимости среда дейотвиом двух проткзополозйых фахторсв. Именно: для Абсолютно чистих гпдкостей количэсг > ионов проводамооти п раскарыга кластеров настолько мала, что процессы электризация ввдкс'отя а адактрага^дикамачэсхне точения і» пах
практически вэ проявляется. Яра увеличении проводимости срвда ( а она увеличивается вв счет - увеличения кояцентрахщи полярной примеси, типа бутилового спирта ) происходит рост числа ионов проводимости, размеров их кластеров и , как следствие, рост влектрлзации щдкаотп и интенсивности влектрогидродинакических течений. Эта тенденция сохраняется вплоть до достаточно больших концентраций примеси при которых начинают проявляться процессы взаимодействия кластеров друг с другом, уменьшение их размеров и рекомбинация. Как следствие.наблэдеэгея спад электризации кадкосги и интенсивности влектрогидродинамических течении.
Кроме атого на рассмотренный прецэоо накладывается влияние приэлбктродннх реакций новообразования. Именно: в течение времени маковелловской релаксации после включения напряжения на ьлэктродах вблизи электродов формируется рыхлые диффузионное слои нескомпенсированного объемного варядв, состоящие из зарядовых кластеров. В втих слоях происходит постепенное выделение плотных частей непосредственно примыкающих к електроду. В установикаэмея режиме плотные части определяет скорости возникновения и исчезновения ионов в рыхлых частях, а их собственные параметри (объемный заряд, поляризация и проводимость) зависят от материала влектродов, приложенного напряжения и состава самой зшдкости. При уменьшении работы выхода из материала електрода объемный варяд и поляризация плотных частей возрастают, яри уменьшении - падают. Экстремум в приэлэктродЕом слое катода к его отсутствие в слое аноде объясняется различием ' электрохимических реакции на электродах. На аноде, в втом случав, происходит раврядка кластерных ионов, скорость которой определяется работой выхода иг углеродной органики и от материала элэктрода практически не зависит, у катода кэ происходит электрохимическая инкекция етих ионов и ее скорость определяется работой выхода ив материала електрода. Поэтому вдеоь проявляется минимум в облаоти 4 вВ, соответствущяй наиболее легкому переходу электронов из електрода в углеродную органику. Влияние напряженности влектрического поля на описанные выше процессы носит лишь количественный характер и качественно ничего не изменяет. Качественные изменения могут проявиться лишь при наличии развитой влектричаской. конвекции, давдей существенный вклад в токонеренос підкопти.
