This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.


Navigation: =>

Startseite / Physik / Forschung /

. Wissenschaftliche Artikel

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN. EXPERIMENTELLE STUDIEN

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN

Gertsenshtein S.Ya., Monakhov A.A.

Hinterlasse einen Kommentar

In ersten experimentellen Untersuchungen des Flusses einer schwach leitenden Flüssigkeit in dünnen dielektrischen Kanälen wurde ein Phänomen beobachtet - Flüssigkeitslumineszenz [1, 2]. Glühen kann mit bloßem Auge bei Tageslicht beobachtet werden. Die Beschreibung dieses Phänomens sowohl in der heimischen Literatur, als auch im Ausland, haben wir nicht gefunden.

In dieser Arbeit präsentieren wir die Ergebnisse einer Untersuchung der Strömung einer Flüssigkeit in einem Kanal von 0,1 cm Durchmesser und 5 cm Länge . Die Bewegung der Flüssigkeit wird durch den Druckabfall bestimmt, die Re- Zahlen überschreiten 600 nicht .

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN

Abb. 1.

Zwei Arten eines zusammengesetzten Kanals mit unterschiedlichen Materialien entlang seiner Achse wurden berücksichtigt ( Abb . 1 ). In der ersten Variante ist der anfängliche Kanalbereich 3 cm lang. wurde aus PTFE-Qualität F4MB und sein endgültiger Teil ist 2 cm . mit dem gleichen Durchmesser von organischem Glas. Der Fluoroplast dieser Marke hat einen spezifischen Widerstand von 1017 V / m und das organische Glas ist um 7 Größenordnungen kleiner. Als Flüssigkeit wurde ein technisches Öl mit einer Viskosität von 75 cSt verwendet .

In der zweiten Variante wurde ein 2 mm dicker Messingeinsatz zwischen das PTFE und das organische Glas eingefügt. mit dem gleichen Durchmesser. In beiden Fällen waren die geometrischen Abmessungen der Kanäle gleich. Ein Kanal mit solchen Daten repräsentiert den Anfangsabschnitt des Rohres, wo das Geschwindigkeitsprofil von einem rechteckigen zu einem parabolischen Profil gebildet wird. Hier tritt die Hauptbeschleunigung des Kerns der Strömung und ein signifikanter Druckabfall auf [3].

Die durchgeführten Untersuchungen für den Kanal des ersten Typs (ohne den Messingeinsatz) zeigten das Auftreten von flüssigem Glühen von der dielektrischen Grenzfläche in Strömungsrichtung mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 m / s ( Fig . 2 ).

Hier ist (1) der Fluoroplastikkanal, (2) ist die Fortsetzung des Kanals aus dem organischen Glas, und (3) ist der Flüssigkeitsemissionsbereich an der dielektrischen Grenzfläche. Die Flüssigkeit bewegt sich von unten nach oben.

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN

Abb. 2 Fluoreszenz im Kompositkanal aus Fluorkunststoff-Plexiglas

Wenn die Fließgeschwindigkeit ansteigt, nimmt der Lumineszenzbereich zu. Wenn die Lumineszenz durch einen photoelektrischen Multiplizierer aufgezeichnet wird, wird ihre Diskretion in Form einzelner Blitze mit einer Frequenz von bis zu 50 kHz , begleitet von elektromagnetischen Störungen im Funkbereich , festgestellt. Es besteht eine gute Korrelation mit der Zeit des Lichtblitzes mit elektromagnetischer Interferenz. Mit einem starken Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich die Helligkeit des Glühens.

Die Ursache des Glimmens ist mit der Elektrifizierung der Kanal- und Flüssigkeitswände verbunden. Im Anfangsabschnitt des Kanals fließt bei einer Länge von 5-10 Kalibern der Kern des Stromes und der Druck fällt ab. Dies führt zu einem feinblasigen Aufschäumen der in der Flüssigkeit gelösten Gase und zur Bildung einer Ladung an der Kanalwand und in der Flüssigkeit. Der zweite Faktor bei der Bildung von Ladungen an der Wand ist die Manifestation der elektrophysikalischen Eigenschaften des Kanalmaterials. Fluorkunststoff (Polytetrafluorethylen (CF2-CF2) n ) ist ein guter Isolator, die Austrittsarbeit der Elektronen ist Δ (eφ) = 10,1 eV . Dieser Parameter wird oft durch das Auftreten des Emissionsstroms von der Oberfläche des Materials bei einem bestimmten Wert der elektrischen Feldstärke ( Schottky-Effekt ) bestimmt.

Δ (еφ) = е 3 1/2 1/2

Für Fluorkunststoff ist Ecr = 7 · 108 V / cm . Fluorkunststoff hat wie viele fluorhaltige Materialien eine große Affinität für das Elektron. Dies erklärt sich durch den größten Wert der Elektronegativität in Fluor. Es sollte beachtet werden, dass Fluorkunststoff nicht nur ein hydrophobes Material, sondern auch ein oleophobes Material ist. Und in diesem Fall kann Flüssigkeit in dem Anfangsabschnitt des Kanals relativ zu den Wänden des Kanals perforiert sein [4].

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN

Abb. 3. Fluoreszenz im Kanal hinter dem Messingring.

Wenn sich die Flüssigkeit bewegt, wird eine doppelte elektrische Schicht mit einem negativen Potential an der Kanalwand und einer positiven in der Flüssigkeit gebildet. Bei einer Strömungsrate von 15 m / s ist seine Stärke für das Auftreten von Feldemission an der Wand des Fluorkunststoffkanals immer noch gering, aber es ist ausreichend, eine Emission an den Wänden des Kanals aus dem organischen Glas hervorzurufen. Dadurch regt der Emissionsstrom einen Teil der flüssigen Moleküle mit der letzten Emission von Lichtquanten in Form einer beobachteten Lumineszenz an.

In Versuchen mit der Platzierung eines Messingeinsatzes zwischen PTFE und Plexiglas wurde ein Leuchten beobachtet. Wie in der ersten Version des Kanals wird eine doppelte elektrische Schicht auf der Wand aus Fluorkunststoff gebildet. Seine Intensität nimmt mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit zu. Wie bekannt, ist die Austrittsarbeit von Elektronen an einem Metall viel geringer als für ein Dielektrikum, und hier ist die Emission intensiver als in einem Kanal ohne Metalleinsatz bei der gleichen Strömungsrate von 15 m / s . ( Abbildung 3 ).

Hier ist (1) ein Fluorkunststoffkanal, (2) ist ein Messingring, (3) ist der Bereich der flüssigen Glut hinter dem Messingring, (4) ist die Fortsetzung des Kanals aus dem organischen Glas. Die Flüssigkeit bewegt sich von unten nach oben.

Der hellste Bereich der Lumineszenz wird über dem Messingring beobachtet, wo die Feldemission von Elektronen auftritt und die Moleküle der Flüssigkeit angeregt werden. Weiter stromab befindet sich eine Rekombination der Moleküle der Flüssigkeit, die in Form eines bläulichen Glimmens beobachtet wird.

Intensives Leuchten im Kanal führt zu einer Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit. Messungen haben gezeigt, dass die Temperatur der Flüssigkeit am Auslass des Kanals um 10 Grad ansteigt. Der Prozess der Feldemission ist nicht nur durch die Erwärmung der Oberfläche des Kanals und der Flüssigkeit gekennzeichnet, sondern auch durch die Zerstörung der Wände des Kanals aufgrund der Bewegung positiver Ionen zu ihm. Die Zerstörung tritt als die Kanten des Kanals und die Wände des organischen Glases auf ( Abbildung 4 a, b )

STROMFLÜSSIGKEIT IN DÜNNEN DIELEKTRISCHEN KANÄLEN

Abb. 4 a

Abb. 4 b

Das Ende des Kanals vor Beginn des Experiments und nach 30 Minuten .

Die Registrierung der Lumineszenz durch einen photoelektrischen Vervielfacher zeigte, dass das Leuchten in Form von Fackeln auch bei konstantem Druck auftritt. Die Intensität der Lumineszenz nimmt jedoch mit starken Geschwindigkeitspulsationen zu.

Abb. 5. Oszillogramm der Intensität des Glühens (3), elektromagnetisch
Hintergrund (2) mit einer quasistatischen Druckänderung (1).

In Abb. Fig. 5 zeigt ein Oszillogramm der Lumineszenzintensität (3), den elektromagnetischen Hintergrund (2) für eine quasistatische Druckänderung (1) vor der Eintrittskante des Kanals. Es besteht eine gute Korrelation zwischen dem Lichtblitz und elektromagnetischen Störungen.

In den experimentellen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit einen signifikanten Einfluss auf die Elektrifizierung und damit auf die Intensität der Lumineszenz hat. Ähnliche Ergebnisse wurden in den Berechnungen von [5] erhalten.

Ein kleiner Film über das Glühen von Flüssigkeit in einem dielektrischen Kanal mit einem Messingeinsatz ist hier zu sehen.

So wird nach der Pilotstudie schwach Fluidfluß in Kanal c unterschiedliche physikalische Eigenschaften leitenden entdeckte ein neues Phänomen - Glühen Flüssigkeit. Bereiche mit einer großen elektrischen Feldstärke sind festgelegt. Es wird gezeigt, dass die Lumineszenz an der Grenze der Änderung der elektrophysikalischen Eigenschaften des Kanalmaterials auftritt und eine Folge der Fluoreszenz der Flüssigkeit ist. Das Leuchten hat einen diskreten Charakter und wird von elektromagnetischen Störungen begleitet.

GEBRAUCHTES LITERATUR

  1. Baranov DS, Bucharin NS, Gertsenstein S.Ya., Monakhov AA Elektrifizierung einer schwach leitenden Flüssigkeit in einem dünnen dielektrischen Kanal. Abstracts des XIII. Schulseminars "Moderne Probleme der Aerohydrodynamik". 5. bis 15. September 2005 Sotschi, "Burevestnik" der Moskauer Staatlichen Universität. Moskau: Moskauer Staatliche Universität, 2005. S.14.

  2. Monakhov AA Elektrifizierung während des Flusses einer dielektrischen Flüssigkeit in einem dielektrischen Kanal. Zusammenfassung der internationalen Konferenz "Nichtlineare Probleme der Theorie der hydrodynamischen Stabilität und Turbulenz". 26. Februar - 5. März 2006 Moskau. Von der Ob. Pension Verwaltung der Angelegenheiten des Präsidenten der Russischen Föderation "Waldentfernungen". Moskauer Staatliche Universität. Moskau: Izd-vo MGU, 2006.c.76.

  3. G. Schlichting. Grenzflächentheorie. Verlag "Science", M. 1974.

  4. SM Dammer und D. Lohse, Phys. Rev. Lett. 96, 206101 (2006).

  5. Pankratieva IL, Polyansky VA Bildung von starken elektrischen Feldern am Flüssigkeitsstrom in engen Kanälen // Doklady RAN. 2005. T.403. Nr.5. Ps. 619-622.

Druckversion
Autor: Gertsenshtein S.Ya., Monakhov AA
Institut für Mechanik, Moskauer Staatliche Universität. M.V. Lomonossow Moskau
PS Das Material ist geschützt.
Datum der Veröffentlichung 11/30/2006