Дисперсные системы с пузырьками газа и их роль в генерации грозового электричества

На правах рукописи

КУМЫКОВ ТЕМБУЛАТ САРАБИЕВИЧ

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ С ПУЗЫРЬКАМИ ГАЗА И ИХ РОЛЬ В ГЕНЕРАЦИИ ГРОЗОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик - 2009

Работа выполнена на кафедре Геофизики и экологии Кабардино-Балкарского государственного университета им.Х.М.Бербекова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор, Жекамухов Мусаби Касович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Хоконов Азамат Хазраталиевич

доктор физико-математических наук,

профессор, Куповых Геннадий Владимирович

Ведущая организация: ГУ «Высокогорный геофизический институт»

Защита состоится «19» июня 2009 г. в 13 час. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д 212.076.02. при Кабардино-Балкарском государственном университете по адресу: 360004, КБР, г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, главный корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета.

Автореферат разослан " 15 " мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ахкубеков А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дисперсные системы, содержащие большое количество газовых пузырьков, встречаются часто в природе и технике. По данным разных авторов, в длительно отстоявшейся воде содержатся пузырьки, имеющие радиусы в пределах при их объемной концентрации . Некоторые авторы сообщают о том, что им удалось обнаружить сверхмалые пузырьки радиусом с концентрацией . Однако вопрос о стабильном существовании в воде таких пузырьков до настоящего времени остается нерешенным.

Наличие большого количества пузырьков в жидкости оказывает существенное влияние на электрические свойства дисперсных систем, находящихся как в постоянных, так и в высокочастотных электрических полях; они оказывают также влияние на величину напряжения зажигания разряда в воде; реологические и релаксационные свойства газожидкостных систем во многом определяются наличием в них мельчайших газовых пузырьков.

В последние годы обнаружено, что пузырьки газа, присутствующие в водных растворах, играют большую роль в геофизических процессах. Так, например, они являются решающими в возникновении больших разностей потенциалов при кристаллизации воды; заряженные пузырьки, выделяющиеся с поверхности градин и частиц крупы в процессе их коагуляционного роста, служат мощным источником грозового электричества. Заряженные пузырьки, выделяющиеся с поверхности морей и океанов во время штормов, уносят в окружающее воздушное пространство большое количество зарядов, что в какой-то степени способствует поддержанию заряда земли.

Вместе с тем электрические свойства дисперсионных систем, содержащих большое количество пузырьков, недостаточно изучены; мало изучены также вопросы, касающиеся геофизических аспектов таких систем.

Поэтому теоретические и экспериментальные исследования физических характеристик дисперсных систем с пузырьками газа при различных внешних воздействиях представляет большой научный и практический интерес в атомной промышленности и в некоторых технологических процессах, а явление выделения заряженных пузырьков с поверхности ледяных частиц, находящихся в потоке переохлажденного водного аэрозоля, может служить одним из важнейших механизмов генерирования зарядов в грозовых облаках.

Цели и задачи исследования:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование диэлектрических свойств дисперсных систем с пузырьками газа, находящихся в переменных электрических полях, и изучение влияния заряда пузырьков на эти свойства;
2. Исследование кинетики процесса выделения газовых пузырьков в переохлажденной облачной воде в процессе снятия переохлаждения;
3. Разработка нового эффективного механизма генерирования грозового электричества, основанного на явлении выделения заряженных газовых пузырьков с поверхности градин и частиц крупы в процессе их коагуляции с переохлажденными облачными каплями.
4. Разработка теоретической модели генерирования и разделения зарядов в мощных конвективных облаках, основанной на новом механизме генерации зарядов в облаках.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые получены аналитические формулы для действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической постоянной как чистых водных растворов электролитов, так и при наличии в них заряженных пузырьков.
2. Разработана экспериментальная установка для изучения кинетики проводимости различных проб воды с пузырьками газа.
3. Впервые исследована кинетика роста пузырьков в переохлажденных облачных каплях при быстром снятии переохлаждения и получена аналитическая формула, устанавливающая связь между размерами пузырьков и их концентрацией в капле.
4. Предложен новый механизм генерирования грозового электричества, который по мощности превосходит все известные механизмы генерации зарядов в облаках, и получена аналитическая формула, устанавливающая связь между мощностью генерирования зарядов и водностью облака.
5. Построена упрощенная теоретическая модель генерирования и пространственного разделения зарядов в мощных конвективных облаках, которая в будущем может служить основой для построения более общей модели грозового облака.

Практическая ценность полученных результатов.

Результаты работы могут быть использованы при расчете радиолокационной отражаемости от обводненных градин, при разработке теоретической модели грозового облака. Разработанные экспериментальные установки могут быть использованы в учебном процессе в качестве лабораторных работ по изучению электрических свойств дисперсных систем.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Формулы, выражающие зависимость диэлектрических проницаемостей водных растворов электролитов, содержащих множество пузырьков, от частоты внешнего электрического поля.
2. Экспериментальная установка для исследования влияния переменного электрического поля на диэлектрические свойства воды с пузырьками газа.
3. Формула, устанавливающая связь между концентрацией и размерами пузырьков, образующихся в облачных каплях в момент снятия переохлаждения.
4. Новый механизм генерирования и разделения зарядов в мощных конвективных облаках.
5. Принципиальная схема построения теоретической модели грозового облака.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях различных уровней: на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов «Перспектива–2004», «Перспектива–2006» (ЭНУБ КБГУ, п.Эльбрус), на IX конференции молодых ученых, (КБНЦ РАН, 2008 г.), на научных семинарах кафедры геофизики и экологии КБГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 работ, из них пять статей - в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в выводе формул для расчета действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической постоянной растворов электролитов, находящихся в переменном электрическом поле, самостоятельно нашел приближенное решение задачи о рэлеевском рассеянии электромагнитных волн двухслойными сферическими частицами, решил задачу об электрических колебаниях пузырька газа в жидкости; автором самостоятельно разработана экспериментальная установка по исследованию влияния пузырьков на диэлектрические свойства воды в переменном электрическом поле и провел экспериментальные исследования. Автор принимал непосредственное участие в расчетах зарядов, генерирующихся в грозовых облаках, на основе нового механизма генерирования зарядов в конвективных облаках; принимал участие в выводе системы уравнений в упрощенной модели грозового облака и провел численные расчеты.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы составляет 124 страницы, в том числе 15 рисунков и 10 таблиц. Список цитированной литературы включает 63 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цели и задачи, сформулирована научная новизна и практическая ценность. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию диэлектрической проницаемости дисперсной системы для простейшей модели двух плоских слоев раствора электролита и идеального диэлектрика, представляющих дисперсную фазу и дисперсионную среду (рис.1).

Рис.1. Схема плоско-параллельного слоя раствора

В предположении, что электрическое поле направлено по оси перпендикулярно к плоскости рассматриваемого слоя и что толщина последнего мала по сравнению с длиной волны , концентрации n1 и n2 положительных и отрицательных ионов удовлетворяют уравнениям диффузии:

(1)

где D1, D2 – коэффициенты диффузии, а и - подвижности соответствующих ионов. Согласно соотношению Эйнштейна, , где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, - элементарный заряд. К системе уравнений (1) добавляется уравнение Пуассона

, (2)

где – напряженность поля, - диэлектрическая проницаемость раствора.

Полагая , где , - средняя концентрация ионов и считая, , систему (1)-(2) можно привести к виду

(3)

В периодически меняющемся поле решение системы уравнений (3), ищется в виде . При этом получается система уравнений

(4)

где , - дебаевский радиус ионной атмосферы.

Исключая , отсюда получаем:

. (5)

Общее решение уравнения (5) удобнее записать в виде

, (6)

где , (7)

, (8)

С1, С2, С3, С4 – произвольные постоянные.

При этом выражения для и принимают вид:

(9)

, (10)

где - новая произвольная постоянная.

Потенциал

, (11)

где .

Потенциал вне жидкого слоя имеет вид:

,

где - напряженность внешнего поля, - произвольная постоянная.

Произвольные постоянные определяются из граничных условий, а также из условий совместности

,

условий непрерывности потенциала и индукции

,

где - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, и условий равенства потоков, которые приводят к следующим соотношениям:

. (12)

Условия совместности приводят к равенствам .

Определяя произвольные постоянные и , для дипольного момента

,

получаем следующую формулу:

(13)

При отношение и формула (13) приводится к виду

. (14)

Отсюда получаем

; ,

где и - вещественная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости.

На рис.2 представлена частотная зависимость вещественной диэлектрической проницаемости при различных соотношениях между коэффициентами диффузии и , из которой видно, что в постоянном электрическом поле () диэлектрическая постоянная раствора электролита обращается в нуль, т. е. раствор ведет себя как проводник в постоянном электрическом поле - напряженность поля в слое раствора электролита равна нулю.

Рис.2. Частотная зависимость вещественной диэлектрической проницаемости при различных соотношениях между коэффициентами и

Начиная с частот порядка Гц, влияние носителей на величину становится пренебрежимо малым.

На рис.3 представлены кривые зависимости от при различных значениях ; из рисунка видно, что в растворах электролита максимум поглощения наступает на существенно более низких частотах, чем в жидких диэлектриках () Гц.

Рис.3. Частотная зависимость мнимой диэлектрической проницаемости при различных соотношениях между коэффициентами и

Эти результаты имеют прямое отношение к задаче о рассеяние радиоволн обводненными градинами. При постановке задачи о рассеянии радиоволн градовыми частицами, покрытыми жидкой пленкой, можно не учитывать токи, возникающие в жидкой пленке под воздействием постоянной составляющей электрического поля падающего излучения, следовательно, и для обводненных градин классическая постановка задачи Ми остается в силе.

Рассматривается также рэлеевское рассеяние электромагнитных волн двухслойными сферическими частицами, получена простая аналитическая формула для поперечника обратного рассеяния, удобная при практических расчетах,

.

Во второй главе рассматриваются электрические свойства дисперсных систем, содержащих газовые пузырьки. Связь между вектором индукции и напряженностью поля в случае дисперсной системы с пузырьками газа записываем в виде

, (15)

где - электрический момент единичного объема жидкости в отсутствии пузырьков, - концентрация пузырьков в жидкости; величина - дипольный момент отдельного пузырька. Для определения решается задача об электрических колебаниях пузырька в жидком растворе (рис.4).

Рис 4. Схематическое изображение пузырька, находящегося во внешнем поле

Потенциал внутри пузырька радиуса удовлетворяет уравнению Лапласа.

, , ,

где и - сферические координаты, а потенциал вне пузырька удовлетворяет уравнению Пуассона.

,

где -диэлектрическая проницаемость раствора.

Внешнее поле удовлетворяет уравнению

.

Полагая и малыми по сравнению с , приходим к системе уравнений

Ограничиваясь, случаем , отсюда получаем

,

где , а .

При , приходим к уравнению

, (16)

где .

С другой стороны, потенциал удовлетворяет уравнению Пуассона

. (17)

Общее решение уравнения (17), обращающееся в нуль на бесконечности, имеет вид:

, (18)

где , - произвольные постоянные.

Подставляя полученное значение в (17), приходим к уравнению

, . (19)

Уравнение (19) решалось при следующих граничных условиях

; ; .

При этом для дипольного момента пузырька получена формула

,

а из равенства

получается значение комплексной диэлектрической проницаемости дисперсной системы

, (20)

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

,