Книги по разным темам Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 8 03;12 Электровязкостный эффект в переменном электрическом поле й А.А. Остапенко Научно-исследовательский институт радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета, 198904 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 28 октября 1998 г. В окончательной редакции 20 октября 1999 г.) Рассматриваются экспериментальные зависимости изменения относительной динамической вязкости жидких диэлектриков от приложенного переменного напряжения и частоты этого напряжения. Диапазон частот используемого напряжения изменялся от 20 Hz до 2 kHz. Изменение вязкости может быть следствием изменения структуры жидкости, причем центрами ионно-молекулярных групп являются ионы, возникшие из-за инжекции заряда с электрода. Изменение режима инжекции приводит к изменению вязкости.

В ранее опубликованных работах указывалось на су- акций), необходимо, чтобы в приэлектродной области ществование электровязкостного эффекта в попереч- аккумулировался заряд. Изменение режима зарядообраных относительно потока диэлектрика электрических зования из-за изменения частоты внешнего электричеполях [1,2]. Причинами изменения вязкости полагали пе- ского поля может изменить скорость накопления заряда редачу момента количества движения в результате элек- или же предотвратить вовсе. Если стоять на позиции трофореза ионов, возникновение электрогидродинамиче- общепринятой модели приэлектродного двойного слоя, ских течений, образование в близких приэлектродных то для инжекции необходимо накопить заряд, по крайней зонах ион-дипольных кластеров [3]. В некоторых работах мере равный полному заряду двойного слоя, указывали на отсутствие электровязкостного эффекта в q = Cdl, (1) неполярных жидкостях, но при малых добавках в них полярных примесей эффект наблюдался [1]. Введение где Cdl Ч емкость двойного слоя, Ч падение напряжеполярных добавок в неполярную жидкость может сущения на двойном слое. По грубым оценкам, емкость двойственно менять проводимость среды. Действительно, в ного слоя для указанных сред составляет 10 F/cm2, а ряде работ (например, [1,2]) замечено влияние проводипадение напряжения на нем 1V [4]. В переменном помости на величину электровязкостного эффекта. Помимо ле разряд и заряд такого двойного слоя осуществляется полярных добавок существенным фактором, влияющим в течение полупериода (T /2) каждого цикла изменения на величину электровязкостного эффекта, является нанапряжения. Поэтому, чтобы реализовать инжекцию, личие инжектирующего электрода. Процесс, называемый заряд q должен быть накоплен в слое по крайней мере инжекцией заряда в среду, конкретно не рассматриваетза четверть периода подаваемого напряжения, т. е.

ся. Речь идет о следствии инжекции заряда с электрода в жидкость. В [2] было показано, что процессы инжекции T /заряда играют весьма важную роль при проявлении q i(t)dt, (2) электровязкостного эффекта в постоянном электрическом поле. Возникновение ионов и иономолекулярных T/комплексов может приводить к изменению структуры где i(t) = E0 Sin 2 ft, Ч удельная электропрожидкой диэлектрической среды и заметно влиять на водность жидкости, E0 Ч амплитудная напряженность наблюдаемую в электрическом поле вязкость. Одним из внешнего поля, f Ч частота. Отсюда можно получить способов изменения режима инжекции заряда с элеквыражение для критической частоты при превышении трода в среду является воздействие на межэлектродный которой в двойном слое не сможет накопиться заряд:

промежуток переменного электрического поля.

В данной работе рассматривается характер изменения Umax fcr =, (3) наблюдаемой вязкости полярных жидких диэлектриков 2d как функции частоты внешнего переменного поля. Необходимо отметить, что ранее [1] проводились работы по где Umax Ч амплитуда приложенного напряжения, d Ч исследованию влияния частоты прикладываемого поля величина межэлектродного промежутка.

на вязкость диэлектрической жидкости, но диапазон При f > fcr инжекция заряда нет, при f < fcr частот состоял лишь из двух (50 и 1000 Hz), поэтому инжекция реализуется. В эксперименте использовалась характер влияния частоты на вязкость оставался неясен. описанная ранее [2] установка, которая представляла В других работах и вовсе указывали на отсутствие такого собой канал прямоугольного сечения длиной 20 mm, влияния. Все эти противоречивые результаты не нашли шириной 3.5 mm. Верхняя и нижняя стенки канала приемлемого толкования до настоящего времени. представляли собой металлические пластины и являлись Для реализации приэлектродных процессов, обусло- электродами. Межэлектродное расстояние (высота канавливающих инжекцию заряда (электрохимических ре- ла) составляло 200 m. Время прохождения жидкости Электровязкостный эффект в переменном электрическом поле Рис. 1. Относительное изменение вязкости в зависимости от частоты приложенного переменного напряжения в ацетоне (a), нитробензоле (b): 1 Ч 10, 2 Ч 20, 3 Ч 30, 4 Ч 40, 5 Ч 50 kV/cm.

между метками на капилляре измерялось с помощью чение же минимума изменения относительной вязкости фоторегистрирующего прибора с точностью до 0.1 s. На (/)min растет с ростом приложенного напряжения.

электроды экспериментальной ячейки подавалось пере- Так, значение (/)min при E = 40 kV/c, почти в три менное напряжение от специального источника питания. раза больше, чем при E = 10 kV/cm (для всех кривых) Погрешность в определении частоты не превышала 3%. (рис. 1, 2).

Участок капилляра перед ячейкой подбирался такой Можно предположить, что минимум на кривых исдлины, чтобы по всей длине ячейки течение носило следумых зависимостей связан с достижением критиустановившийся характер. Так как динамическую вяз- ческой частоты для режима накопления заряда в двойкость можно представить = AP/Q, где A Ч ном приэлектродном слое. Действительно, сравнивая аппаратурная константа; P Ч перепад давления, обес- значения частоты, на которой наблюдается минимум печивающий расход Q = V0/t (V0 Ч объем истека- (/)min, с рассчитанной по (3) критической частоющей жидкости), то изменение наблюдаемой вязкости той (см. таблицу) можно видеть, что они близки по / = (el - )/ = (tel - t)/t, где el Ч наблюдаемая вязкость при подаче напряжения на ячейку; tel Ч время истечения жидкости при подаче поля, t Ч время истечения жидкости без электрического поля.

В качестве объектов исследования использовались полярные жидкости с высоким значением диэлектрической проницаемости ( 36-20) и для сравнения неполярная жидкость Ч декан ( 1.2-1.4). Эти жидкости являются типичными представителями жидких диэлектриков.

В результате эксперимента были получены зависимости изменения вязкости (времени протекания жидкости через ячейку) от частоты приложенного напряжения при различных величинах этого напряжения и для разных жидкостей. Все полученные кривые для полярных жидкостей (рис. 1, 2) имеют несколько сходных участков:

на низких часототах с ростом подаваемой частоты наблюдается быстрый спад величины относительной вязкости, достижение некоего минимума и последующий быстрый рост. Далее, с ростом частоты, происходит малое изменение вязкости с тенденцией к уменьшению.

Так, в ацетоне (рис. 1, a) при амплитуде подаваемого Рис. 2. Относительное изменение вязкости от частоты прилонапряжения 10 kV, относительная вязкость при частоте женного напряжения в нитрометане: 1 Ч 10, 2 Ч 20, 3 Ч 30, 400 Hz имеет ту же величину, что и при 60 Hz. Зна4 Ч 40 kV/cm.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 138 А.А. Остапенко E, Нитробензол Нитрометан Ацетон Декан kV/cm fcr, Hz fmin, Hz fcr, Hz fmin, Hz fcr, Hz fmin, Hz fcr, Hz fmin, Hz (эксперимент) (эксперимент) (эксперимент) (эксперимент) 10 16 12 80 60 10 10 1.6 10-6 - 20 32 25 160 120 20 15 3.2 10-6 - 30 48 42 240 180 32 26 4.8 10-6 - 40 64 60 320 260 40 35 6.4 10-6 - 50 80 75 400 350 53 48 8.0 10-6 - величине. Надо отметить, что критические частоты всех условленного инжекцией, играет важную роль в меисследованных жидкостей лежат в диапазоне 10Ц500 Hz, ханизме электровязкостного эффекта. Предотвращение т. е. в относительно низкочастотной области. Для такой инжекции либо путем изоляции электрода от жидкой жидкости, как декан, которая является неполярной, по- среды [2], либо изменением режима инжекции путем добный минимум на использованных частотах не на- изменения частоты приложенного напряжения приводит блюдается (рис. 3). С ростом частоты относительная к снижению относительной вязкости. Это может быть вязкость в декане уменьшается. Так, при изменении результатом того, что с уменьшением инжекции заряда частоты прикладываемого напряжяения в сто раз от- в жидкость уменьшается количество иономолекулярных носительная вязкость падает на 30%, а с ростом комплексов, т. е. инжектируемый заряд является центром величины приложенного напряжения величина (/) образования иономолекулярного комплекса. Укрупнение изменяется менее чем в 1.5 раз. Надо отметить, что при структурных элементов жидкости и приводит к росту наложении постоянного напряжения на проточную ячей- вязкости, а для определенных условий Ч к проявлению ку с неполярными жидкостями значение (/) также иных электрогидродинамических эффектов.

относительно слабо менялось с ростом напряжения [2].

В таблице приведены величины критической частоты, Список литературы вычисленной по (3) ( fcr) и полученные из эксперимента ( fmin exper). Видно, что частоты, соответствующие мини[1] Соколов П.Е., Сосинский С.Л. // ДАН СССР. 1939. Т. 4.

муму для кривых на рис. 1, 2, хорошо согласуются с ча№ 127. C. 1037Ц1042.

стотой, вычисленной по (3). Для декана же критической [2] Остапенко А.А. // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 1. С. 40Ц43.

частоты в эксперименте не наблюдалось. Из расчета (3) [3] Рычков Ю.М., Лиопа В.А. и др. // Электрон. обраб.

критическая частота декана при напряженности 10 kV/cm материалов. 1994. № 5. С. 34Ц37.

будет 10-2 Hz, т. е. в далекой низкочастотной области, [4] Gosse B. // Electroanalchem. and Interfacial Electrochem. 1975.

Vol. 61. P. 265Ц270.

что тоже согласуется с экспериментом.

После ФотключенияФ инжекции наблюдаемая вязкость несколько растет с ростом частоты и имеет слабовыраженный максимум, после чего медленно уменьшается.

Подобные изменения могли бы быть обусловлены объемной проводимостью жидкости в результате диссоциации молекул примеси.

Таким образом, исследования показали, что наличие в жидкой среде объемного электрического заряда, обРис. 3. Относительное изменение вязкости от частоты в декане: 1 Ч 20, 2 Ч 40 kV/cm.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып.    Книги по разным темам