WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

где - объем, занятый пузырьками в растворе, - концентрация пузырьков.

Принимая во внимание, что при см величина, из формулы (20) получаем:

;

.

Из этих формул следует, что максимальное поглощение, обусловленное наличием пузырьков в растворе, имеет место при

,

т. е. практически на той же частоте, на которой поглощение, обусловленное наличием носителей зарядов в растворе, имеет максимум.

В другом предельном случае, малых пузырьков, при которых, имеем:

,

т.е. наличие мельчайших пузырьков в растворе электролита практически не влияет на его электрические свойства.

Рассматривается также влияние заряда пузырьков на диэлектрическую проницаемость дисперсных систем.

Известные экспериментальные данные о величине зарядов пузырьков, содержащихся в различных пробах воды удовлетворительно описываются формулой Френкеля

,

где - заряд; - радиус частицы; - электрокинетический потенциал (порядка 0,1-0,2 В).

Уравнение, описывающее колебательное движение пузырьков в переменном электрическом поле, можно записать в виде:

, (21)

где - эффективная масса пузырька,, - плотности газа и жидкости, - атмосферное давление,, - вязкость раствора.

Диффузный слой, окружающий заряженный пузырек, также подвергается периодическому воздействию внешнего поля. В случае достаточно крупных пузырьков, когда его радиус существенно превосходит толщину двойного слоя, образующегося на его поверхности, изменение концентрации ионов в диффузионном слое успевает следить за изменением напряженности внешнего поля вплоть до частот порядка Гц, однако и при этих условиях скорости жидкости в диффузионном слое остаются малыми по сравнению со скоростями движения заряженных пузырьков.

В другом предельном случае, когда, мы имеем дело с теорией растворов сильных электролитов Дебая и Гюккеля; заряженный пузырек можно рассматривать как ион, вокруг которого образуется облако носителей, состоящее из ионов противоположного знака. В этом случае движущая электрическая сила равна сопротивлению малой сферической:, где - скорость частицы; следовательно, уравнение движения весьма малых заряженных пузырьков также можно записать в виде (21).

Решение уравнения (21) можно записать в виде

.

Дипольный момент Pn, возникающий в единичном объеме раствора вследствие колебательного движения пузырьков, определяется формулой

Pn,

а дополнительная комплексная диэлектрическая проницаемость, обусловленная колебательным движением пузырьков, равна

.

При этом для и получаются следующие формулы

;.

Оценки показывают, что в области частот наличие зарядов на пузырьках оказывает заметное влияние лишь на величину и приводит к увеличению диэлектрических потерь. При этом энергетические потери, связанные с вынужденными колебаниями заряженных пузырьков, увеличиваются с уменьшением частоты, что принципиально отличает рассматриваемую модель от модели потерь в конденсированных средах, в которых эти потери обусловлены наличием в них определенных релаксантов.

В третьей главе рассматриваются экспериментальные результаты по исследованию влияния воздушных пузырьков на проводимость воды.

Пузырьки в воде создавали принудительной продувкой воздуха через множество каналов в ситалловом фильтре. Полное сопротивление (полная проводимость) воды измеряли с помощью электрического моста переменного тока. Для изучения кинетики полной проводимости разработана экспериментальная установка, позволяющая осуществить непрерывную запись полезного сигнала в зависимости от времени (рис.5).

Рис.5. Схема экспериментальной установки для изучения кинетики проводимости воды: - внутреннее сопротивление генератора сигнала, - внешнее активное сопротивление

Напряжение гармонической формы от генератора звуковой частоты подавали на измерительную ячейку с двумя плоскими электродами, пространство между которыми заполнялось водой. Последовательно с ячейкой включали активное сопротивление, которое было настолько малым, что не оказывало влияние на величину тока. Напряжение на этом сопротивлении, пропорциональное величине тока, а, следовательно, полной проводимости, поступало, на вход USB-осциллографа, а с его выхода - на вход компьютера. Это позволяло визуально наблюдать изменение проводимости со временем и одновременно записывать на бумажную ленту.

Как показали результаты исследования, с ростом частоты проводимость воды уменьшается. Это связано с тем, что полное сопротивление воды обусловлено не только сквозной проводимостью, но и емкостной, которая с ростом частоты увеличивается.

Экспериментально обнаружено, что при наличии в воде потока воздушных пузырьков ее проводимость увеличивается. Воздушные пузырьки, обладающие значительно меньшей электропроводностью по сравнению с воды, должны привести к уменьшению электропроводности дисперсионной среды (вода + пузырьки). Этот факт свидетельствует о том, что воздушные пузырьки в воде являются заряженными. При этом дрейф заряженных пузырьков в воде не может привести к столь значительным изменениям электропроводности воды, которые наблюдались в экспериментах. Качественное объяснение полученным экспериментальным данным можно дать, предположив, что в водных системах могут иметь место диэлектрические потери, обусловленные смещением зарядов, упруго связанных с положением равновесия. В таких случаях в диэлектриках возникают резонансные потери, которые значительно превышают по величине релаксационные. Поскольку в воде содержится большой набор спектра пузырьков по размерам, то число резонансных частот тоже будет велик. В результате резонансная характеристика расплывается, при этом диэлектрические потери велики во всем звуковом диапазоне частот.

Изучение кинетики проводимости показало следующее. С момента появления первых пузырьков электропроводность воды возрастает по экспоненциальному закону, насыщаясь в течение нескольких секунд. После прекращения генерации воздушных пузырьков электропроводность уменьшается относительно быстро в течение 5-6 сек., а затем медленно в течение суток. Описанные экспериментальные результаты более ярко проявляются в дождевой воде, что может иметь значение для процессов, протекающих в атмосфере.

В четвертой главе рассматривается явление интенсивного выделения заряженных пузырьков с поверхности градин и частиц крупы в процессе их коагуляционного роста в облаке и роль этого явления в генерировании и разделении зарядов в мощных конвективных облаках. При столкновении переохлажденной облачной капли с поверхностью градины или крупы, температура капли практически мгновенно повышается до 00С, и раствор газа в капле становится пересыщенным. В температурном интервале от -20 до -100С это пересыщение составляет 1,72-1,30, тогда как для зарождения пузырьков в воде требуется лишь пересыщение 1,1-1,4 в зависимости от ее чистоты. Следовательно, повышение температуры облачной капли должно сопровождаться бурным выделением пузырьков. При этом минимальный размер облачной капли, при котором возможно образование в ней хотя бы одного пузырька радиуса, определяется условием

,

где - растворимость воздуха в воде при заданной температуре, - давление окружающей атмосферы, - поверхностное натяжение воды.

В таблице 1. приводятся значения при различных температурах и радиусах пузырька.

Таблица 1

Значенияпри различных температурах и радиусах пузырька

, мкм

, мкм при температурах

-1

-5

-10

-20

0.1

2.5

1.5

1.3

1.0

0.5

6.3

4.8

4.1

3.2

1.0

11.0

8.3

7.0

5.5

2.0

19.0

14.7

13.0

10.1

Из данных таблицы видно, что при намерзании облачных капель с радиусами 6-8 мкм на поверхности градин, вероятность выделения пузырьков с радиусами мкм при температурах 0-50С ничтожно мала. Интенсивное выделение пузырьков начинается лишь при температурах порядка -100С и ниже и высоких значениях водности облака, при которых доля крупных облачных капель в общем влагосодержании облачной среды резко возрастает. Разработана кинетика роста пузырьков внутри облачных капель в момент снятия переохлаждения. Установлено, что количество пузырьков с радиусами, образующихся в облачной капле радиуса, дается формулой

, (22)

где - растворимость воздуха в воде при 0 0С, - температура переохлаждения в 0С, взятая со знаком «+», - газовая постоянная воздуха,, - атмосферное давление.

В таблице 2 приводятся значения при мкм и различных значениях радиуса пузырька.

Таблица 2

Значения n при мкм и различных

Из таблицы видно, что количество пузырьков, образующихся в капле, существенно возрастает с уменьшением радиуса пузырьков. Поскольку с повышением пересыщения раствора резко возрастает число центров образования пузырьков, то следует ожидать, что с повышением температуры количество пузырьков, образующихся в облачных каплях, будет резко возрастать, а их размеры – уменьшаться.

Пузырьки газа, выделяющиеся с поверхности градин уносят заряды в окружающее воздушное пространство. Средний заряд, который уносится при намерзании облачной капли радиуса на поверхности градины, определяется формулой

,

или подставляя сюда значение из (22).

. (23)

Закон изменения заряда градин радиуса в процессе коагуляционного их роста можно записать в виде

, (24)

где - удельная электропроводность воздуха внутри облака, - диэлектрическая проницаемость воздуха, а коэффициент определяется формулой

.

В таблице 3 приводятся значения и в различные моменты времени, рассчитанные при характерных значениях параметров, входящих в (23).

Таблица 3

Значения и в различные моменты времени

t, мин

1

2

3

4

5

0,29

0,39

0,51

0,64

0,8

Из таблицы видно, что скорость генерации зарядов примерно на два порядка превосходит скорости генерации зарядов по известным в литературе механизмам электризации гидрометеоров и вполне достаточна для построения удовлетворительной теории грозового электричества.

Для количественной оценки электрических полей, возникающих в конвективных облаках за счет приведенного выше механизма электризации гидрометеоров, предложена простая модель грозового облака, в которой скорость восходящего потока принимается постоянной, а электризация гидрометеоров происходит по закону, определяемому формулой (24). При этом в соответствии с теорией предполагается, что отрицательные заряды сосредоточены на градинах и частицах крупы, а компенсирующие их положительные заряды, которые обычно сосредоточены на мельчайших облачных каплях и кристалликах льда, предполагаются сосредоточенными на фиктивных градинах, полностью увлекающихся потоком воздуха. При этих условиях конвекционные токи, обусловленные движением положительно и отрицательно заряженных частиц, определяются формулами

, (25)

, (26)

а напряженность электрического поля определяется уравнением

(27)

где - скорость падения градин или частиц крупы,, - в см, - проводимость облачного воздуха.

Закон изменения заряда частиц гидрометеоров определяется уравнением

, (28)

а изменение их радиуса дается уравнением

. (29)

К системе уравнений (27) – (29) присоединяются уравнения для концентрации частиц гидрометеоров и уравнения их движения. Расчеты проводились при различных вариациях входных данных.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»