ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА ЧАСТИЦАХ ОКСИДА ЦИНКА И ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТАВА АД-1 НА ИХ ЛЬДООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА ЧАСТИЦАХ ОКСИДА ЦИНКА И ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТАВА АД-1 НА ИХ ЛЬДООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА
Аннотация
Исследования в области активных воздействий на облака являются одним из фундаментальных направлений работы Высокогорного геофизического института. Среди множества задач этого направления исследований следует выделить исследования льдообразующих свойств многих веществ (пиротехнические составы с иодистым серебром, нанотрубки оксида цинка).
Одновременно с исследованиями льдообразующей активности веществ ведутся лабораторные эксперименты по изучению влияния электрических характеристик облака на процессы образования ледяной фазы на частицах оксида цинка. В настоящей статье представлены результаты исследования влияния напряженности электрического поля и электрического заряда на частицах оксида цинка и пиротехнического состава АД-1 на их льдообразующие свойства.
1. Введение
Вопросы влияния электрических сил на фазовые и микроструктурные характеристики облаков и туманов вызывают интерес многих исследователей. Эти вопросы изучались как теоретически, так и экспериментально. В результате было уточнено представление о механизме влияния знака заряда на конденсационный рост капель и дано его теоретическое обоснование, изучено влияние поверхностного заряда капли на скорость нуклеации льда, сформулирована физическая концепция этого явления, получены эмпирические данные о влиянии ионизации среды и постоянного внешнего электрического поля на замерзание переохлажденных капель воды [1].
В работах по активным воздействиям на градовые процессы внесение реагента происходит в мощные кучево-дождевые облака, имеющие сильные электрические поля и большое количество заряженных гидрометеоров. Наличие электрического поля и заряда на частицах реагента в атмосфере может влиять на удельный выход льдообразующих ядер при проведении работ по изменению погоды [2], [3].
Поэтому изучение влияния напряженности электрического поля и заряда на частицах на льдообразующую эффективность реагентов и пиротехнических составов является актуальной задачей.
2. Методы и принципы исследования
Исследования, проведенные за последние годы в этом направлении показывают, что рост зародышевых частиц осадков из паровой фазы зависит от напряжённости электрического поля, заряда кристаллизующего ядра и от реализации того или иного механизма роста [4]. При нахождении частицы в электрическом поле происходит ионная зарядка. Ионы, движущиеся в воздухе, сталкиваются с частицей, осаждаются на ее поверхности. Обратно ионы не могут возвратиться из-за того, что они должны обладать определенной энергией для преодоления потенциального барьера на границе раздела сред. Таким образом, происходит накопление ионов на частице [5].
Под действием электрических сил процесс укрупнения частиц сводится к коагуляционному. Для условий, наблюдаемых в облаках, преобладает «диффузионный» механизм зарядки частиц, «контактная» зарядка преобладает в этих условиях для частиц размером более 0,1 мкм [6], [7]. Размер частиц реагента от 0,02 до 10 мкм, следовательно, зарядка частиц реагента будет происходить «контактным» и «диффузионным» механизмами зарядки [8].
Методика изучения влияния напряженности электрического поля на льдообразующую эффективность частиц оксида цинка и пиротехнического состава АД-1.
Предварительно определенное количество порошка цинка или пиросостава АД-1 взвешивается на электронных весах и загружается на графитовую подложку устройства для возгонки реагента. На дно облачной камеры устанавливают термостатированные подложки, накрытые крышками. В камере с помощью ультразвукового парогенератора создается искусственная облачная среда. После чего на пластины конденсатора подается высокое напряжение с высоковольтного выпрямителя. На устройство для возгонки подается ток, происходит возгонка исследуемого реагента. После возгонки воздух в камере перемешивается вентилятором и с появлением в поле зрения первых кристалликов поочередно открывают подложки и осаждают на них кристаллы. Каждая подложка изучается в поле оптического микроскопа, подсчитывается количество кристаллов в кадре, затем на компьютере производится расчет удельного выхода [9].
3. Основные результаты
В рамках исследований проведены серии экспериментов по изучению влияния зависимости удельного выхода льдообразующих ядер заряженных частиц оксида цинка от температуры. Эксперименты проводились в температурном диапазоне от –5 до –14 °С и полярности пластин конденсатора «0», «+» и «0», «–».
В таблице 1 и на рисунке 1 представлены результаты проведенных исследований.
Таблица 1 - Зависимость удельного выхода льдообразующих ядер заряженных частиц оксида цинка от температуры
Без поля | Отриц. заряж. част. | Положит. заряж. част. | |||
t, °С | Удельный выход (N·1012), г-1 | t, °С | Удельный выход (N·1012), г-1 | t, °С | Удельный выход (N·1012), г-1 |
-13,9 | 2,8 | -13,6 | 0,6 | -11 | 6,4 |
-12,9 | 1,8 | -12,5 | 0,8 | -10,8 | 4,2 |
-11,3 | 2,01 | -12,5 | 1 | -9,5 | 5,6 |
-11,1 | 0,91 | -12,5 | 0,6 | -8,9 | 0,9 |
-10,5 | 2,84 | -12,2 | 0,7 | -8,5 | 1,1 |
-10,1 | 5,4 | -11,2 | 0,8 | -7,9 | 4,1 |
-8,9 | 1,02 | -11,2 | 2,3 | -7,8 | 3,2 |
-8,2 | 1,5 | -10 | 5,5 | -6,4 | 2,3 |
-7,1 | 1,1 | -8,5 | 1,4 | -6,1 | 2,6 |
-6,9 | 2,9 | -8 | 2,2 | -5,7 | 1,9 |
-6,8 | 1,3 | -7,9 | 2,4 | - | - |
-5,4 | 2,3 | -7 | 0,8 | - | - |
- | - | -4,9 | 3 | - | - |
Рисунок 1 - Зависимость удельного выхода льдообразующих ядер
заряженных частиц оксида цинка от температуры
Из таблицы и графика видно, что рост кристаллов льда на положительно заряженных частицах оксида цинка происходит активнее, чем на отрицательно заряженных частицах. Особенно заметны различия в температурном диапазоне от –10 до –13 °С. Но при температурах выше –7 °С отрицательно заряженные частицы оксида цинка обладают большей льдообразующей активностью, чем положительно заряженные частицы.
В температурном диапазоне от –8 до –14 °С удельный выход отрицательно заряженных частиц оксида цинка меньше, чем у незаряженных частиц. В температурном диапазоне от –5 до –8 °С удельный выход отрицательно заряженных частиц оксида цинка больше, чем у незаряженных частиц. В температурном диапазоне от –5 до –14 °С удельный выход положительно заряженных частиц оксида цинка больше, чем у незаряженных частиц.
Исследования под электронным микроскопом показали, что частицы возгонки оксида цинка при наличии электрического поля образуют комплексы из нанотрубок. Такие комплексы являются льдообразующими ядрами, чем больше размер комплекса, тем выше температура образования кристаллов [10].
Серии экспериментов по изучению влияния напряженности электрического поля на льдообразующую эффективность пиросостава АД-1 проводились в температурном диапазоне от –10 до –4 °С и напряженностях электрического поля от 3,75×104 до 3×105 В/м.
В таблице 2 и на рисунке 2 представлены зависимости удельного выхода частиц пиротехнического состава АД-1 от напряженности электрического поля.
Таблица 2 - Зависимость удельного выхода частиц пиротехнического состава АД-1 от напряженности электрического поля
Удельный выход (N·1012), г-1 | ||||
t, °С | 37,5 кВ/м | 75 кВ/м | 150 кВ/м | 300 кВ/м |
10-9 | 6,2 | 6,4 | 4,2 | 7,5 |
7-8 | 4 | 3,8 | 2,7 | 5,2 |
5-6 | 2,5 | 1,8 | 2,4 | 2,2 |
3-4 | 2 | 2 | 2,7 | |
Рисунок 2 - Зависимость удельного выхода частиц пиротехнического состава АД-1 от напряженности электрического поля
Как видно из таблицы и графика, с увеличением напряженности электрического поля до 1,5×105 В/м удельный выход льдообразующих ядер уменьшается. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля удельный выход льдообразующих ядер увеличивается. Разница между максимальным и минимальным значениями удельного выхода в температурном диапазоне от –9 до –10 °С составляет 1,6 раза. Разница между максимальным и минимальным значениями удельного выхода в температурном диапазоне от –7 до –8 °С составляет 1,86 раза. Разница между максимальным и минимальным значениями удельного выхода в температурном диапазоне от –3 до –6 °С незначительна.
4. Заключение
В процессе лабораторных экспериментов выработана методика изучения влияния напряженности электрического поля на льдообразующую эффективность оксида цинка.
В результате исследования влияния заряда на частицах реагента и электрического поля на удельный выход льдообразующих ядер получено, что Для частиц оксида цинка получено, что рост кристаллов льда на положительно заряженных частицах происходит активнее, чем на отрицательно заряженных частицах. Особенно заметны различия в температурном диапазоне от –10 до –13 °С. Но при температурах выше –7 °С отрицательно заряженные частицы оксида цинка обладают большей льдообразующей активностью, чем положительно заряженные частицы.
С увеличением напряженности электрического поля до 1,5×105 В/м удельный выход льдообразующих ядер пиросостава АД-1 уменьшается. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля удельный выход льдообразующих ядер пиросостава АД-1 увеличивается. Разница между максимальным и минимальным значениями удельного выхода в температурном диапазоне от –9 до –10 °С составляет 1,6 раза. Разница между максимальным и минимальным значениями удельного выхода в температурном диапазоне от –7 до –8 °С составляет 1,86 раза.