Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 10
1.1 Электрогидродинамика мембран 10
1.2 Электрогидродинамика 12
1.3 Проблемы «водного мостика»
1.3.1 Оптические неоднородности 17
1.3.2 Потоки жидкости внутри «водного мостика» 19
1.3.3 Разделение показателя pH в системе с «водным мостиком» 20
1.3.4 Влияние магнитных и электростатических полей на «водный мостик» 21
1.3.5 Устойчивость «водного мостика» 22
1.3.6 Нейтронография и рентгенография «водного мостика» 22
1.3.7 Термография «водного мостика» 29
1.3.8 Возможные объяснения и физические механизмы «водного мостика» 30
1.4 Спектральные характеристики «водного мостика» 42
1.4.1 Температурные изменения в спектре воды 47
1.4.2 Изменения в спектре воды, связанные с наличием в ней неорганических растворимых веществ 49
1.4.3 Инфракрасные спектры «водного мостика» 53
Выводы главы 1 56
ГЛАВА 2. Экспериментальные установки и методы 58
2.1 Основная экспериментальная установка 58
2.1.1 Калибровка источника питания 70
2.2 Спектрометр комбинационного рассеяния с анализом пространственных распределений спектров 71
Выводы главы 2 .74
ГЛАВА 3. Экспериментальные результаты 75
3.1 Вольт-амперные характеристики «водного мостика» 75
3.2 Распределение ионов в «водном мостике» .79
3.2.1 Спектральные проявления Н+ и ОН– ионов 80
3.2.2 Распределение ионов Н+ и ОН– в «водном мостике» 83
Выводы главы 3 .86 4.
ГЛАВА 4. Физическая модель гистерезиса ВАХ пространственно -ограниченного проводника и экспериментальная проверка модели 87
4.1 Модель «динистора» 87
4.2 Модель теплового пробоя
4.2.1 Явление «шнурования тока» при тепловом пробое 95
4.2.2 Экспериментальная проверка модели теплового пробоя 97
Выводы главы 4 100
Основные выводы работы .101
Список использованных источников
- Влияние магнитных и электростатических полей на «водный мостик»
- Спектрометр комбинационного рассеяния с анализом пространственных распределений спектров
- Спектральные проявления Н+ и ОН– ионов
- Экспериментальная проверка модели теплового пробоя
Введение к работе
Актуальность.
Исследование физических механизмов известных процессов и
обнаружение новых явлений в конденсированных средах является основной
задачей физики конденсированных сред. В настоящей работе обнаружено
новое явление - появление отрицательного дифференциального
сопротивления и гистерезиса вольт-амперной характеристики в
пространственно-ограниченных слабых ионных проводниках, таких как
парящий «водный мостик» и растворы в тонких трубках. Исследование
физического механизма этих явлений представляет интерес с
фундаментальной точки зрения. В практическом плане электрофизические характеристики водных растворов в последнее время активно изучаются в связи с возможностями управления химическими реакциями методами современной электроники (управляемые мембраны, рН- управляющие чипы и т.п.). Главной задачей при этом является проблема разделения ионов заданного сорта в растворе. Изучение процессов разделения ионов в условиях, когда наблюдается гистерезис и отрицательное дифференциальное сопротивление, очевидно, представляет практический интерес.
Современное состояние проблемы.
В настоящее время уже известны необычные электрофизические
характеристики ионных проводников, в том числе гистерезисные,
возникающие в микро- и нанопористых мембранах, используемых на
практике в электрохимии для разделения ионов. При этом обычная
интерпретация связывает эти явления с т.н. эффектом Вина – усилением
диссоциации в сильных электрических полях. Однако, как оказывается,
сильный гистерезис возникает и в условиях когда эффект Вина практически
исключен. Так, в последние годы большое внимание привлекло такое (давно известное) явление, как «парящий водный мостик», проявляющий ряд «аномальных» свойств. В таком мостике, как показано в настоящей работе, также имеет место гистерезис вольт-амперной характеристики и участок отрицательного дифференциального сопротивления, однако, эффект Вина невозможен и физический механизм этих явлений на сегодняшний день пока неясен. Правильное понимание механизмов физических процессов в таких пространственно-ограниченных ионных проводниках в настоящее время совершенно необходимо для практических приложений в электрохимии, химической электронике и т.п.
Цели и задачи исследования.
Основной целью настоящей работы является выяснение физического
механизма возникновения электрического гистерезиса и отрицательного
дифференциального сопротивления в пространственно-ограниченных
ионных проводниках.
Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи:
(1) создание экспериментальной установки для исследования
электрофизических характеристик ионных проводников на примере
дистиллированной воды в виде «водного мостика» и других
пространственно-ограниченных формах водного ионного проводника;
(2) получение экспериментальных зависимостей вольт-амперных
характеристик от геометрических и физических параметров эксперимента;
(3) создание экспериментальной установки - спектрометра
комбинационного (рамановского) рассеяния с пространственным
разрешением, позволяющем по наблюдению формы полосы ОН-валентных
колебаний анализировать пространственное распределение ионов
(гидроксила и гидроксония) в эксперименте;
4) получение экспериментальных результатов и анализ
пространственного распределения ионов в эксперименте;
(5) предложение физической модели, объясняющей наблюдаемые явления и экспериментальная проверка модели.
Новизна полученных результатов.
- Впервые обнаружено явление электрического гистерезиса, а также явление
отрицательного дифференциального сопротивления при протекании ионного
тока в дистиллированной воде по пространственно-ограниченной области (в
трубке, в «водном мостике» и т.п.); ранее подобные явления наблюдались
только в полупроводниках, некоторых диэлектриках и в плазме, но не в воде
при невысоких (физиологических) температурах.
Впервые экспериментально показано методом пространственно -разрешенной спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния, что при протекании ионного тока в пространственно-ограниченной области дистиллированной воды («водном мостике» и т.п.) внешние слои воды имеют увеличенное содержание гидроксил-ионов, а внутренние -увеличенное содержание ионов гидроксония (протонов).
Впервые предложен физический механизм появления гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления в пространственно-ограниченных ионных проводниках, основанный на возникновении положительной обратной связи между концентрацией ионов и температурой, которая увеличивается при протекании тока, вызывая увеличение концентрации ионов, снижение сопротивления и дальнейшее увеличение нагрева приводящего к шнурованию тока.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
- Экспериментальное обнаружение новых явлений - электрического
гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления в
пространственно-ограниченных ионных проводниках имеет очевидное
фундаментальное (теоретическое) значение для физики жидкостей,
электрогидродинамики и электрохимии растворов;
- Обнаруженная экспериментально неоднородность распределения ионов
разных типов по сечению ионного проводника и явление шнурования тока
должны учитываться при решении задач электрогидродинамики,
электрохимии и др., что является, несомненно, важным результатом для этих
областей.
- Предложенный механизм гистерезиса и отрицательного
дифференциального сопротивления не только объясняет наблюдаемые
процессы, но и может использоваться для предсказания новых явлений в
подобных системах.
- На основании выясненного механизма открывается возможность
создания, например, оптическими (лазерными) методами пространственных
проводящих каналов в жидкой среде для предпочтительного протекания
ионов заданного сорта для задач электрохимии и химической электроники.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) На вольт-амперной характеристике ионных проводников,
представляющих собой трубки дистиллированной воды (диаметром 1 - 5 мм и длиной 5 - 40 мм), при напряжениях 5 - 7 кВ возникает гистерезис, а также участки отрицательного дифференциального сопротивления.
2) При протекании ионного тока в простанственно-ограниченной области дистиллированной воды типа «водного мостика» радиальное распределение ионов H+(Н3О+) и ОН- в поперечном сечении неоднородно, имеет место повышенное содержание гидросксил-ионов в приповерхностных слоях, а гидроксония – в приосевом канале.
3) Физический механизм появления гистерезиса и отрицательного
дифференциального сопротивления в пространственно-ограниченных
ионных проводниках обусловлен положительной обратной связью между концентрацией ионов и температурой, приводящей к шнурованию тока в таком ионном проводнике.
Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов.
Сформулированные в диссертационном исследовании положения,
выводы и рекомендации обоснованы достаточным объёмом полученных
экспериментальных результатов по электропроводности и спектроскопии
жидких ионных проводников. Достоверность полученных результатов
обеспечивается адекватностью и надежностью применявшихся
экспериментальных методик, а также хорошим согласием с известными данными.
Личный вклад автора.
-
Автором лично разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования электрофизических свойств ионных проводников, в т.ч. «водного мостика» и спектрометр комбинационного рассеяния с возможностью измерений пространственного распределения спектров рассеяния.
-
Автором лично выполнены электрофизические и оптические
измерения свойств пространственно-ограниченных ионных
проводников в рамках поставленных задач.
-
Автором лично выполнен анализ и обобщение результатов электрофизических и оптических исследований вольт-амперных характеристик и эмиссионных спектров пространственно-ограниченных ионных проводников.
-
На основе полученных в результате экспериментов данных автором предложен механизм теплового пробоя и проверен в контрольных экспериментах.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы опубликованы в трех печатных работах в
рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:
-
В.Б. Ошурко, А.Н. Федоров, А.А. Ропяной, М.В. Федосов. Гистерезис и отрицательное дифференциальное сопротивление вольт-амперной характеристики «водного мостика»// Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 6.
-
В.Б.Ошурко, А.А.Ропяной, А.Н.Федоров, М.В.Федосов, Н.А.Шелаева Спектр ОН- валентных колебаний воды в «парящем водном мостике» // Журнал технической физики, 2012, том 82, выпуск 11, стр. 126.
-
Э.А.Маныкин, В.Б.Ошурко, А.Н.Федоров, О возможности образования конденсата возбужденных атомов в условиях газового разряда // Журнал технической физики, 2011, том 81, выпуск 3, стр. 5.
Работа была апробирована на одной международной и двух российских научных конференциях: Конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO/LAT, 2013, June 18-22, Moscow, Russia); Научная сессия МИФИ, Москва, 2011; Конференция по фотонике и информационной оптике, МИФИ, Москва, 2016
Влияние магнитных и электростатических полей на «водный мостик»
В объяснении явления указывается, что гистерезис связан, по всей вероятности, с переходными процессами. Переходные процессы обусловлены неполным разделением ионов между слоями. Когда приложенное напряжение оказывается достаточно большим, возникает электролитическая диссоциация по механизму эффекта Вина (Wien effect), вносящая вклад в величину тока. В работе [4] специально разработана численная модель, основанная на известных уравнениях электрогидродинамики - уравнении Нернста-Планка, Больцмана и упрощенном законе Дарси. Модель, тем не менее, содержала ряд подбираемых параметров, обеспечивающих согласие с экспериментом. Очевидно, что такие механизмы выглядят достаточно экзотическими и не исключено протекание более простых известных процессов, приводящих к тому же результату.
В связи с описанными явлениями, рассмотрим подробнее основы электрогидродинамики. Электрогидродинамика, как известно, представляет собой междисциплинарный раздел [5], объединяющий различные направления: гидродинамика, электростатика, электрохимия, теплофизика и т.д.. Распространенный объект ЭГД-исследований - это слабопроводящие жидкости (жидкие диэлектрики, углеводородные масла и топлива и т.д.), которые обладают слабой проводимостью КГ7 - КГ12 Ом1 см1. Тем не менее, именно проводимость обусловливает ряд замечательных эффектов, таких как ЭГД-течения, стабилизация и дестабилизация струй и капель и т.д.
Хотя ЭГД-течения были известны ещё со времён Фарадея, интенсивное развитие электрогидродинамики началось в только 1960-х годах: в США — группой Мелчера [7,8], в Европе — французским и испанским научными центрами [9-12] и др. [13, 14]. В СССР это направление разрабатывалось в Институте механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова [15] и Харьковском государственном университете [16], где развивались в основном теоретические подходы с точки зрения механики; и в др. организациях. Интенсивные ЭГД-исследования методами прикладной физики проводились в Институте прикладной физики АН Молдавской ССР [17] и школой Г.А. Остроумова в Ленинградском государственном университете [18], и в настоящее время успешно развиваются в Научно-образовательном центре при Санкт-Петербургском государственном университете [19]. Ряд ЭГД-задач по устойчивости неоднородно нагретой слабопроводящей жидкости и удержанию пузырей и капель электрическим полем был исследован в Пермском государственном университете [20-22]. Большой объём работ по изучению электрофизических процессов в диэлектрических жидкостях, инициированных высоковольтными полями, проведён специалистами по пробою [23-27]. Результаты ЭГД-исследований периода 1960 -2000 гг. подытожены в книгах [28, 29] и обзорах [30-32].
В настоящее время электростатические технологии хорошо изучены, и они нашли широкое практическое применение: производство тонких нитей и капилляров [33, 34], электроокраска [7], электростатические пылеуловители [35], струйные принтеры [36] и др. Перспективными являются попытки создания ЭГД-насосов [17, 19, 28] и технологии ЭГД-термостатирования [8, 11].
Однако вплоть до настоящего времени целый ряд электрофизических и электрогидродинамических эффектов казался неожиданным и недостаточно объяснённым. Так, свободная поверхность в цилиндрическом конденсаторе в области низких полей притягивается к центральному электроду, а в высоких — отталкивается [37]. На заряженной первоначально плоской поверхности формируются устойчивые деформационные образования типа лунок [38], т.е. поверхность прогибается в сторону, противоположную направлению действия поверхностной силы. Дисперсные частицы вблизи электрода, контактирующего с жидким диэлектриком, совершают своеобразные колебательные движения, притягиваясь к электроду и отталкиваясь от него [18]. Довольно неожиданным является кластерообразование заряженных дисперсных частиц (стеклянных сфер) в низкотемпературной плазме низкого давления [39]. При этом возникает вопрос о физическом механизме таких кластеров, а также необходим анализ их устойчивости, подобный известной теореме Ирншоу о неустойчивости равновесного состояния системы зарядов [40]. В биологии не ясна роль электрического разряда в инициации деления яйцеклетки при клонировании [41]. Стандартное объяснение, состоящее в том, что микроразряд эквивалентен процессу проникновения сперматозоида в клетку, не является убедительным, поскольку физико-химические процессы, происходящие в этих случаях, различны. Нельзя также не упомянуть явление шаровой молнии [42], привлекающее постоянное внимание. Этот список можно продолжить, но даже приведённые примеры убедительно свидетельствуют, что электрофизические и электрогидродинамические эффекты недостаточно исследованы и требуется их дальнейшее изучение.
Такая плохая предсказуемость многих ЭГД-эффектов может быть обусловлена сложным и существенно нелинейным характером физико-химических процессов. Эта нелинейность, в свою очередь, обусловлена нелинейным характером общей системы уравнений ЭГД. Система уравнений имеет следующий вид [43]: объемных сил гравитации fg и электрического поля /е . Уравнение теплопроводности учитывает конвективный перенос тепла, а также (для общности) возможный джоулев нагрев среды, ибо и в такой постановке возможна ЭТК (“джоулева электроконвекция”).
Спектрометр комбинационного рассеяния с анализом пространственных распределений спектров
В электрогидродинамическом распылении, электрическое напряжение, также играет важную роль. Одними из тех, кто изучал эту взаимосвязь, были Melcher [89], Parkin [90], and Turnbull [91]. Они исследовали также влияние заряда на распад струи. Но Turnbull полагал, что струя есть жидкий диэлектрик, в то время как Melcher считал, что струя идеальный проводник. Parkin измерял скорость роста возмущений струи воды, которая могла бы считаться условно идеальным проводником. Его результаты показали, что предположения Melcher не были далеки от реальности. Тем не менее, за счет разброса в полученных данных для малых электрических напряжений и относительно больших длин волн, и как следствие невысокой точности, результат Melcher может быть подтверждён только качественно.
Jones [92] сообщил в 2002 году о найденной взаимосвязи диэлектрофореза и электросмачивания. В работе он указывает на то, что сила, ответственная за движение отдельных капель или массы как целое, не относится к физике электросмачивания, но, в то же время, может быть оценена с использованием емкостной модели или тензора напряжений Максвелла. Широкий обзор этих явлений был представлен в 2005 году Mugele и Baret [93].
Для жидких диэлектриков, Saville предложил условие устойчивости для цилиндров жидкости с аксиальным направлением электрического поля достаточно высокой напряжённости внутри них [94]. Widom соавт. [74], опубликовал в 2009 подробный расчет тензора натяжений Максвелла в диэлектрической жидкости, для частного случая «водного мостика». Cloupeau и Prumet-Foch [80], а также Gomez and Tang [84] сочли, что распад струи в режиме течения конус-струя не зависит от поверхностного заряда. Gomez нашел в теоретических результатах Schneider и соавт. [95], Neukermans [96] возможную многозначность. Cloupeau и Gomez также измерили отношение диаметра капелек к диаметру струи. Это отношение для жидкостей с низкой вязкостью совпадало в пределах точности, имело значение 1,89, и согласовывалось со значением, следующим из теории Рэлея для незаряженной струи для жидкости, текущей с постоянной скоростью. В 1994 году Fernndez de la Mora and Loscertales [97] нашли соотношения, которые могут быть использованы для оценки диаметра капель, а также, тока, протекающего через жидкостный конус. Их часто называют законами скейлинга для электрогидродинамического распыления в режиме конус-струя. Соотношения были немного пересмотрены Gan-Calvo [98] , Gan-Calvo и соавт. [99] и Hartman и др. [77].
3) Квантовомеханический подход. С точки зрения квантовой механики, теория функционала плотности означает, что электрическое поле будет растягивать сетку водородных связей воды, в конечном итоге нарушая трехмерную морфологию, формируя линейные, ветвящиеся или сетчатые структуры, в результате чего дипольные молекулы воды преимущественно выравниваются вдоль оси электрического поля [105,106], совпадающего с осью «водного мостика». Однако, расчётная напряжённость электрического поля, необходимая для «организации» подобных цепных структур, может значительно превышать напряжённости полей, применяемых в эксперименте с «водным мостиком». Тем не менее, существование подобных молекулярных цепей в воде (даже без наличия внешнего электрического поля) было недавно предложено в работе [51].
С точки зрения квантовой теории поля, многие физические свойства «водного мостика» можно объяснить [107]. Поскольку такой подход кажется необычным, он был недавно опубликован в журнале «Water» [108] с примерами приложений не только для «водного мостика», но других различных явлений, которые рассматриваются в настоящее время.
Следует отметить, что, по-видимому, есть некоторое экспериментальное доказательство квантовомеханической связи в жидкой воде при комнатной температуре: в 1995 году Chatzidimitriou-Dreismann др. провели эксперименты по рамановскому рассеянию [109] для жидких смесей H2O-D2O, которые обеспечили экспериментальное доказательство квантового запутывания фермионных ОН– (и бозонных ОD–) колебательных состояний. В 1997 году Chatzidimitriou-Dreismann и соавт. на основе исследований по неупругому рассеянию нейтронов, опубликовали работу, которая стала первым экспериментальным доказательством ядерной квантовой запутанности в жидкой воде [110]. Интерпретация этих результатов, однако, оспаривается [111,112].
В рамках теории жидкостей, модель жидкого гелия, предложенная Ландау [113], можно сравнить с рассматриваемой. В рамках этой модели, жидкость, в данном случае вода, состоит из двух фаз, одна связанная (а именно, имеющая компоненты, осциллирующие в фазе), а другая некогерентная (а именно, имеющей независимые компоненты, как в газе). Между этими двумя фазами нет резкого пространственного разделения, так как между ними происходит непрерывный обмен молекулами. Это динамическое свойство создаёт сложность в экспериментальном обнаружении двухфазной структуры. В самом деле, экспериментальное измерение, имеющее временное разрешение больше, чем типичный период перехода частиц между двумя фазами, и усредненное за это время, создаёт впечатление однородной жидкости. Однако две фазы всё же могут быть обнаружены, но только за достаточно короткое измерение. Таким образом, проведение ряда последовательных коротких измерений за достаточно длительный промежуток времени, могло дать картину, собранную из фрагментов когерентных состояний, которым удалось сохраниться в течение эксперимента. Подобные исследования могут дать основу для предположения о возможности существования двухфазной структуры, но этого было бы не достаточно для создания полной картины когерентных состояний. До недавнего времени, эксперименты, проведенные при комнатной температуре, не представили каких-либо доказательств существования двухфазной структуры воды [114,115]. Тем не менее, совсем недавно, появились две статьи [116,117], в которых, по мнению авторов, есть факты, свидетельствующие в пользу предложенной модели. В [116] сообщается о существовании двух фаз воды, имеющих различную плотность и надмолекулярную структуру, в то время как [117] представляет собой всеобъемлющий отчет, содержащий экспериментальные данные, которые подтверждают существование в жидкой воде довольно больших агрегатов, значительно превышающих размеры, полученных на основании электростатических теорий. Недавно, на основании последних экспериментальных данных, в рамках квантовой теории поля появилась модель жидкой воды, представляющая собой две встроенные друг в друга фазы [118-120]. Первая фаза когерентна и состоит из протяженных областей, так называемых «когерентных доменов», в которой все молекулы воды колеблются в фазе между двумя состояниями, вторая фаза некогерентна и состоит из независимых молекул, находящихся в объёме между «когерентными доменами».
Спектральные проявления Н+ и ОН– ионов
В серии экспериментов с использованием первой из установок, описанных в Главе 2 (параграф 2.1) была получена вольт-амперная характеристика свободного «водного мостика», то есть зависимость падения напряжения U на элементе электрической цепи, представлявшем «водный мостик», от протекающего через него тока I. Напряжение питания U0 подавалось на электроды, которые были расположены в «катодном» и «анодном» лабораторных сосудах установки.
Для упрощения условий возникновения «водного мостика», в начальный момент времени, лабораторные сосуды с дистиллированной водой были сведены до соприкосновения воронкообразных краёв. Каждый сосуд был установлен на отдельную собственную диэлектрическую платформу. Первый на неподвижную, второй на подвижную, относительно первого, имеющую электромеханический привод для изменения расстояния между платформами и, соответственно, сосудами. После увеличения напряжения на электродах до нескольких сотен вольт, образовывался «водный мостик», который затем растягивался на длину 2 см при помощи подвижной платформы. Соответственно, сначала напряжение питания U0 устанавливалось в положение, соответствующее минимальному значению, при котором сохранялся «водный мостик». Изменяя напряжение питания от минимального U0 min до максимального значения U0 max регистрировалась «прямая ветвь» вольт-амперной характеристики и, затем, от максимального значения U0 max до минимального U0 min – «обратная» ветвь. При этом синхронно регистрировались показания высоковольтного вольтметра (напряжение на «водном мостике» U) и миллиамперметра (ток цепи I).
На Рис. 40 приведена «прямая ветвь» вольт-амперной характеристики. Как можно видеть, вплоть до величины 7.0 кВ ток растет практически линейно с напряжением в соответствии с законом Ома. Однако при дальнейшем увеличении напряжения ток начинает нелинейно возрастать, что обычно характерно для явлений типа электрического «пробоя». Поэтому данный участок назовем условно «предпробойным». Скорость нарастания питающего напряжения, подаваемого на электроды, составляла в среднем ёи0Г100В/сек . При дальнейшем увеличении напряжения действительно наблюдался срыв «водного мостика» и появление на его месте электрического газового разряда. Рис. 40. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики «водного мостика». Заметный разброс точек на рис. 40 был вызван, по-видимому, механическими колебаниями «водного мостика» и, как следствие, возникновением пульсаций (скачков) измеряемого тока и напряжения. «Обратная ветвь» вольт-амперной характеристики регистрировалась при снижении питающего напряжения от максимально достигнутого на «предпробойном» участке до «точки срыва» (иногда до электрического пробоя) «водного мостика» (рис.41). Как оказалось, «обратная ветвь ВАХ» имеет яркие особенности. При снижении питающего напряжения U0 на Рис. 41. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики «водного мостика». электродах, вольт-амперная характеристика на участке «II» была близка к линейной. Тангенс угла наклона данного участка, как известно, определяет дифференциальное сопротивление, которое оказалось близким дифференциальному сопротивлению участка тех же напряжений «прямой ветви ВАХ». Однако, вопреки ожиданиям, в районе напряжений, характерных для точки образования «водного мостика» на прямой ветви, на обратной ветви разрушения «водного мостика» не происходило. При этом дифференциальное сопротивление в этой области становилось равно нулю, а при дальнейшем уменьшении питающего напряжения на электродах, переходило в область отрицательных значений (участок «III»). Рис.42. Сравнение прямой и обратной ветви вольт-амперной характеристики «водного мостика».
Сравнение прямой и обратной ветви на рис. 42 позволяет говорить о гистерезисе вольт-амперной характеристики «водного мостика».
Диаметр «водного мостика» на участке «отрицательного дифференциального сопротивления ВАХ» осциллировал с частотой несколько герц, но среднее значение частоты уменьшалось с уменьшением тока вплоть до «точки срыва «водного мостика»», которую можно охарактеризовать минимальным током 1У (12) и напряжением Uy (U2) удержания.
Нетрудно видеть, что на этом участке можно говорить о вольт-амперной характеристике S-типа (т.е. такой, когда каждому значению [/соответствует несколько значений/). Можно полагать, что U - это «точка образования «водного мостика»», равное значению UQ6, а U" - это «точка срыва» «водного мостика» и равно Uy. В ходе экспериментов было попутно замечено следующее явление. Приведенные выше результаты были характерны для дистиллированной воды, полученной непосредственно перед экспериментом. Если же вода хранилась в запечатанном сосуде в течение 2-3 дней, то численные значения напряжений и токов, при которых наблюдается гистерезис, и отрицательное дифференциальное сопротивление сдвигается в сторону больших напряжений (рис.43). При этом, как можно видеть, «предпробойный участок» ВАХ стал более «крутым».
В случае дистиллированной воды, как нетрудно предположить, основными носителями зарядов являются ионы гидроксила ОНГ и протоны ЇҐ (или ионы гидроксония Н30). По оценкам, сделанным по измерениям исходного сопротивления ( 1,0 Момсм) распределение ионов можно понять, просто регистрируя распределение показателя рН среды. Распределение H+ и OH– ионов в объеме каждого из сосудов с электродами легко видеть из рис. 5 главы 1 (взятом из работ [52,53]), где к воде добавлено небольшое количество красителя – рН – индикатора.
Как можно видеть, это распределение оказывается обычным для хорошо известного процесса электролиза воды: в области отрицательного электрода (катода) рН 5 – более щелочная среда, избыток ионов ОН–; в области положительного (анода) – более кислая среда, избыток ионов Н+.
Однако основной интерес для задач управления и разделения ионных потоков представляет распределение ионов в самом «водном мостике». Заметим, что рис. 5 позволяет заключить, что распределение ионов вдоль «водного мостика» близко к однородному, по крайней мере, в центральной части «водного мостика». Сделать же выводы о распределении ионов по сечению «водного мостика» из рис.5, очевидно, невозможно.
С другой стороны, поскольку имеется избыток ионов разного сорта в разных сосудах, следует полагать, что должен протекать поток ионов одного знака в одном направлении, а противоположного в другом. Это значит, что эти потоки как-то распределены по сечению. Поскольку «водный мостик» устойчив, то это означает некоторую пространственную самоорганизацию таких потоков, которая пока неизвестна.
Экспериментальная проверка модели теплового пробоя
Для зависимости концентрации ионов от температуры проще всего воспользоваться экспериментальными данными кондуктометрии [146]. На Рис.51 приведены кривая зависимости полной концентрации ионов от температуры. Воспользуемся аппроксимацей экспериментальных данных вида: N(T) = AexJ-—) (14) co значениями ,4 = 0.047 и 5 = 3.3610 20. При использовании таких значений констант, совпадение с эмпирическими кривыми оказывается не хуже 5 % .
Тогда для плотности тока (с точностью до постоянного коэффициента, близкого единице) или уже для тока j = l/d2 (где d - диаметр проводника, т.е. «водного мостика» или трубки) окончательно получим алгебраическое трансцендентное уравнение: (Здесь введена #0=3.351022 частиц/см максимальная суммарная концентрация ионов по данным [146 ].) Для получения численных результатов необходимо оценить величину р , входящую в это уравнение. Исходя из данных термографии [Argonne National Laboratory, USA, 2012, п. 1.3.7], можно полагать, что температура нагрева в стационарном режиме в наших условиях не превышает 60 - 80 С. Тогда грубо получим /? = 1.9 К/с . На рис. 53. приведен график зависимости тока от напряженности поля при значения всех констант, описанных выше и d = 0.01см. Как можно видеть, при таких условиях имеет место явно выраженная S-образная вольт-амперная характеристика. Этот тип характеристики, в отличие от рассмотренного в Главе 1, соответствует нашим экспериментальным результатам для «водного мостика», описанным выше.
Помимо аналогий с электроникой, такая характеристика сходна с известными в химии диаграммами Семенова, на которых тепло, выделяющееся в процессе реакции, усиливает саму экзотермическую реакцию. Еще более близки процессы теплового пробоя в полупроводниках (тепло уменьшает сопротивление и увеличивает нагревающий ток) и в плазме (ток вызывает увеличение числа носителей заряда). Важнейшим отличием такого явления в нашем случае является уникально низкая температура (практически, физиологическая температура для биообъектов) при которой наблюдается такая вольт-амперная характеристика.
Явление «шнурования тока» при тепловом пробое. Полученный результат (S-образная характеристика на рис. 53) позволяет качественно понять природу ВАХ «водного мостика» на обратной ветви, но пока не объясняет наблюдаемое явление гистерезиса.
Природу гистерезиса можно понять, только если учесть известное в физике полупроводников и в физике плазмы явление «шнурования тока». Как известно, в среде с положительной обратной связью «ток-концентрация носителей-ток» может наблюдаться шнурование тока. В самом деле, если в однородной среде возникает локальная неоднородность температуры, например, за счет флуктуации и т.п., то именно здесь увеличится число носителей, возрастет температура и т.д. В итоге возникает канал с повышенной температурой и пониженным сопротивлением, играющий роль провода или «шнура» тока. Ясно, что в нашей модели это эквивалентно уменьшению эффективного диаметра проводника d.
Характерная зависимость тока I от напряжения U при шнуровании тока. Сплошные кривые — устойчивые участки ВАХ: нижний и верхний соответствуют однородному распределению плотности тока, средний — образованию токового шнура; пунктир — неустойчивые участки; стрелками показаны скачки напряжения, сопровождающие возникновение и исчезновение шнура при увеличении и уменьшении тока в проводнике (когда его сопротивление меньше сопротивления нагрузки в электрической цепи) [146].
Обычно шнурование тока - возникновение в диэлектриках в сильных электрических полях токовой нити (шнура) радиусом г, меньшим поперечного размера образца. Плотность тока в шнуре больше, чем в окружающем объёме. Несмотря на то, что сечение токового шнура обычно во много раз меньше площади сечения образца, может оказаться, что практически весь ток протекает в шнуре. Шнурование тока возникает, если вольт-амперная характеристика (BAX) проводника настолько сильно отклоняется от закона Ома, что принимает -образную форму. Состояния с однородным по сечению распределением плотности тока j неустойчивы на падающем участке -образной характеристики, когда заданный (сопротивлением нагрузки) ток больше / , но меньше /". В этом интервале токов устойчивым является состояние с токовым шнуром. Толщина / переходного слоя от области высокой плотности тока в шнуре к окружающей его области с низкой плотностью тока определяется теплопроводностью, диффузией носителей заряда и т.п. При больших токах, когда г 1, с ростом тока лишь увеличивается сопротивление, напряжение же не меняется и равно так называемому напряжению поддержания пробоя; соответствующий участок BAX - вертикальная прямая, что является характерным признаком шнурования тока.
Покажем, как шнурование тока объясняет гистерезис вольт-амперной характеристики «водного мостика», наблюдаемый в эксперименте при помощи модели, соответствующей уравнению (5). На рис. 55. приведены вольт - амперные характеристики для двух различных диаметров d1 = 0.3 и d2 = 0.01 cм. Как можно видеть, в случае проводника большего диаметра наблюдается линейная характеристика, близкая к закону Ома. Однако, как видим, с уменьшением диаметра, характеристика превращается -образную. По-видимому, в эксперименте, вначале, по мере роста напряжения и тока эффективным проводником является весь диаметр водного проводника (верхняя кривая на рисунке). Начиная с некоторой температуры, появляется эффект шнурования тока и эффективный диаметр «шнура» оказыватся значительно меньшим геометрического диаметра ионного проводника. В этом случае будет справедлива, как нетрудно понять, нижняя кривая на рис. 54. Именно это фактически наблюдалось в экспериментах, описанных выше.
Разработанная выше модель и связанный с ней физический механизм были проверены в серии контрольных экспериментов. Подтверждением именно такой картины происходящих процеесов может являться зависимость вольт-амперной характеристики от диаметра трубки. В самом деле, эффект S-образности характеристики, согласно рис. 55, будет проявляться сильнее, чем меньше диаметр проводника. Кроме того, остался нерешённым вопрос о том, какова может быть вольт-амперная характеристика на тех участках, на которых существование «водного мостика» физически невозможно. Можно экспериментально исследовать зависимость напряжения и тока, протекающего через пространственно-ограниченный ионный проводник в зависимости от его полного сечения.
В этом случае вместо «водного мостика», была использована стеклянная трубочка, заполненная дистиллированной водой. Как оказалось, если сравнивать полученные ВАХ в трубочках и ВАХ области существования «водного мостика», то кривые имеют очевидное сходство.