Дисперсные системы с пузырьками газа и их роль в генерации грозового электричества тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Кумыков, Тембулат Сарабиевич

• Кумыков, Тембулат Сарабиевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кумыков, Тембулат Сарабиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В ДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЕ, ОБРАЗОВАННОЙ ПЛОСКО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СЛОЕМ РАСТВОРА

1.1. Постановка задачи.

1.2. Приближенное решение системы уравнений (1.5).

1.3. Решение системы уравнений (1.5) в общем виде.

1.4. Электрические колебания в пленке воды, находящейся на поверхности диэлектрика.

1.5. Рэлеевское рассеяние электромагнитных волн двухслойными сферическими частицами.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫЕ ПУЗЫРЬКИ

2.1. Диэлектрическая проницаемость жидкости с пузырьками газа**

2.2. Электрические колебания пузырька в жидкости.

2.3. Влияние заряда пузырьков на электрические параметры дисперсной системы.

Выводы к главе II.

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПУЗЫРЬКОВ НА ИМПЕДАНС ВОДЫ

3.1. Экспериментальная установка и приборы для изучения кинетики проводимости воды.

3.2. Результаты исследования влияния воздушных пузырьков на импеданс воды.

Выводы к главе III.

ГЛАВА IV. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ПУЗЫРЬКОВ ВОЗДУХА В ПРОЦЕССЕ КОАГУЛЯЦИОННОГО РОСТА ГРАДИН В ОБЛАКЕ

4.1. Процессы выделения пузырьков при намерзании переохлажденных облачных капель на поверхности ледяных частиц.

4.2. Кинетика роста пузырьков в облачных каплях.

4.3. Основные требования, предъявляемые к теории грозового электричества.

4.4. Генерирование грозового электричества за счет выделения заряженных пузырьков при намерзании переохлажденных облачных капель на поверхности градин.

4.5. Расчет электрических полей, возникающих в грозовых облаках, за счет механизма выделения заряженных пузырьков с поверхности градин. 1 Ю

Выводы к главе IV. И

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дисперсные системы с пузырьками газа и их роль в генерации грозового электричества»

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 10~7 -10"3 см при их объемной концентрации 106 -107 см"3. Некоторые авторы сообщают о том, что им удалось обнаружить сверхмалые пузырьки радиусом 1.8-10"7см с концентрацией 10" см'3. 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 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: а) теоретическое и экспериментальное исследование диэлектрических свойств дисперсных систем с пузырьками газа, находящихся в переменных электрических полях, и изучение влияния заряда пузырьков на эти свойства; б) исследование кинетики процесса выделения газовых пузырьков в переохлажденной облачной воде в процессе снятия переохлаждения; в) 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. г) 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. I

Практическая значимость результатов работы.

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. i

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; автор самостоятельно разработал экспериментальную установку 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.

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.

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 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Кумыков, Тембулат Сарабиевич

Основные результаты и выводы

1. С учетом различия коэффициентов диффузии катионов и анионов впервые, получены аналитические формулы, выражающие зависимость, вещественной/ и мнимой частей комплексной.диэлектрической; проницаемости растворов электролита от частоты. Показано, что наличие носителей существенно влияет на диэлектрические свойства растворов электролитов.

2. Получена простая аналитическая формула для рэлеевского рассеяния электромагнитных волн сферическими частицами, покрытыми жидкой пленкой. •

3; Впервые вычислены вещественные и мнимые составляющие комплексной . диэлектрической проницаемости дисперсной системы, содержащей незаряженные и заряженные пузырьки. Показано, что энергетические потери, связанные с вынужденными колебаниями заряженных пузырьков, растут с уменьшением частоты; что принципиально отличает такие системы от диэлектрических потерь в конденсированных средах, в которых эти= потери обусловлены: наличием в них отрицательных релаксантов.

4. Собраны экспериментальные установки: по исследованию влияния пузырьков на электрические характеристики водных систем и впервые экспериментально показано, что наличие: потоков воздушных пузырьков в водных системах оказывает существенное влияние на полную их проводимость. Установлено,, что полная электропроводность в таких системах релаксирует в течение времени порядка нескольких секунд.

5. Разработана кинетика выделения мельчайших газовых пузырьков в переохлажденных облачных каплях при. быстром снятии переохлаждения и установлена связь между концентрацией и размерами: пузырьков, образующихся при повышении температуры облачных капель до О "С.

6. Разработан новый механизм; генерирования:грозового электричества, основанный на явлении интенсивного выделения заряженных пузырьков с поверхности градин и частиц крупы при их коагуляционном росте.

7. Построена теоретическая модель генерации и пространственного разделения зарядов в конвективных облаках, основанная на новом механизме генерированных зарядов. Показано, что предложенный в работе механизм является наиболее мощным из всех известных механизмов генерации зарядов в облаках и удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к теории грозового электричества.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кумыков, Тембулат Сарабиевич, 2009 год

1. Болотов А.А., Мирзадишнадзе А.Х., Нестеров И.И. Реологические свойства растворов газов в жидкости в области давления насыщения // Изв. АН СССР. МЖГ. -1988. - №1. - С.172-179.

2. Мешков Г.Х., Азизов М.Г. Экспериментальное исследование влияния релаксационных свойств газожидкостных систем на фильтрацию в, неоднородных пористых средах // Изв. вузов. Нефть и газ. 1988. — №10. - С.35-38.

3. Кнэпл Р., Дейли Дж., Хаммит Ф. Кавитация. М:Мир, 1974. 687 с.

4. Сиротюк М.Г. Упругость и прочность стабильных газовых пузырьков в воде // Акуст.журнал. 1970. - т. 16. - №4. - С.567-569.

5. Бункин Н.Ф., Виноградова О.И., Куклин А.И., Лобеев Л.В., Мовчан Т.Г. // К вопросу о наличии воздушных субмикропузырей в воде: эксперимент по малоугловому рассеянию нейтронов // Письма в ЖЭТФ. 1995. - т. 62. —№ 8. - С.659 - 662.

6. Гаврилов Л.Р. Содержание свободного газа в жидкостях и методы его измерения. В кн. Физические основы ультразвуковой технологии. Ред.—Розенберг Л.Д., -М.: Наука, 1970. -395-426 с.

7. Макаров В.К., Чулкова Н.В // Акустический-журнал. 1988. - т.35. -№1. - С. 175-177.

8. Елец Б.Г. Определение методом ядерного магнитного резонанса средних размеров и концентрации воздушных пузырьков, содержащихся в воде. // Письма в ЖТФ. 1997. -т. 23. - №13. - С.42 -45.

9. Иординский С.В. Об уравнениях движения жидкости, содержащей пузырьки газа // ПМТФ. -1960. №3. - С. 102-110.

10. Ю.Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. т. 1,2. М.: Наука, 1987.- 237с.■ 119

11. Н.Жекамухов М.К., Камбиев М.М. Об одном возможном ; механизме возникновения больших потенциалов при кристаллизации водных растворов // Ж.Ф;Х.,-1985.-тЛХ.-вып.11. -С. 2884 -2886.

12. Френкель Я.И. Электрические: колебания в дисперсных, системах // Коллоидный журнал; 1948; -Т.Х . -№2; - С.148-158.

13. Трухин Э.М. Дисперсия диэлектрической: проницаемости гетерогенных систем // ФТТ. -Т.4:!- 1962. — №: 12. С.3496-3511.

14. Жекамухов М-К., Каров Б.Г., Кумыков Т.С. О диэлектрической; проницаемости растворов электролитов в переменном электрическом»поле//Известия КБНЦ;РАН; 2009. - №2; -С.99-103.

15. Мирдель I'. Электрофизика. Перевод с немецкого под ред.

16. B.И.Раховского. Из-во « Мир», М., 1972. - 608 с.

17. Борен К., Хафмен: Д. Поглощение и рассеяние света: малыми частицами. Перевод с английского* к.ф.-м.н. 3;И. Фейзулина, А.Г. Виноградова, А.А. Апресяна с пред-м член-корр. АН СССР В:И. Тотарского. М.: «Мир». 1986. - 660 с.

18. Балкарова С.Б; Исследование критической массы и толщины жидкой пленки воды на поверхности ледяной сферы // Сборник научных трудов.Ш.конференция молодых: ученых: ч.1. Нальчик - 2002.1. C. 127-131.

19. Экба Я.А., Хоргуани В.Г., Тлисов М.И., Некоторые вопросы термодинамики градин // Труды ВГИ. 1975. -вып.29. - С. 151-162.

20. Абшаев М.Т., Розенберг В.И., Расчеты характеристик рассеяния и ослабления радиолокационного излучения градинами с поверхностным слоем воды.// Труды ВГИ. 1969. -вып.13. - С. 183205.

21. Жакамихов Х.М., Толкачев В.В., Об одном алгоритме расчета радиолокационных характеристик обводненных градин // Труды ВГИ. 1989. -вып.72. - С.62-71.

22. Кумыков Т.С. Рэлеевское рассеяние электромагнитных волн двухслойными сферическими частицами // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. - Нальчик. КБГУ. - 2008. - С.52-53.

23. Кумыков Т.С. Рассеяния и поглощения электромагнитных волн двухслойными сферическими частицами // Материалы IX конференции молодых ученых КБНЦ РАН. 2008. - С.99-103

24. Мейсон Б., Физика облаков. — Л: Гидрометеоиздат, 1961, 542 с.

25. Кумыков Т.С. Об электрических свойствах дисперсных систем, содержащих пузырьки // Известия вузов. Северо-Кавказский регион, i Естественные науки.- 2008. №6. - С.42-44.

26. Френкель Я.И. Теория основных явлений атмосферного электричества // Сборник избранных трудов. М. : Наука. - 1958. - Т.2. - С.538-567.

27. Фрумкин В.М., Иофф З.А., Горович М.А. К вопросу о разности потенциалов на границе вода-газ // ЖФХ. -1956. т. XXX. - вып. 7. -С.1455-1468.

28. Кумыков Т.С. Электрические явления, возникающие при движении газовых пузырьков в водных растворах // Сборник молодых ученых КБГУ.-2004. -С. 166-172.

29. Кумыков Т.С. Отклонение заряженных пузырьков в магнитном поле // Материалы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспектива-2006". Т.З. Нальчик: КБГУ. -2006. С.250-252.

30. Жекамухов М.К., Каров Б.Г., Кумыков Т.С. О влиянии пузырьков на проводимость воды // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки 2009 - №2. - С.42-43.

31. Whybrew W.E., Kinzer G.D. // Journ. Acoust. Soc.Amer. 1954. - 26. - p. 984.

32. Фрелих Г. Теория диэлектриков.перевод со второго английского издания. Проф.Г.И.Сканави. - М.: изд-во иностранной литературы. 1960.-250 с.

33. Киреев В.А. Курс физической химии. Изд. 3, перераб. и доп. Учебник для студентов хим. спец. вузов. М.: «Химия». 1975. - 776 с.

34. Dinger J.E., Gunn R. Electricol effects associated with a change of state of water // Terr. Magn Atmos. Elect. 1946. - v.51. - № 4. - p. 477 - 496.

35. Мучник B.M., Рудько Ю.С. Особенности замерзания переохлажденных капель воды // УкрНИРМП. 1961. - вып.26. - С.64-73.

36. Аджиев А.Х., Тамазов С.Т. Разделение электрических зарядов при кристаллизации капель воды. // Метеорология и гидрология. -1987. -№8. С.57-62.

37. Аджиев А.Х., Тамазов С.Т. Разделение электрических зарядов в грозах Активные воздействия на гидрометеорологические процессы // Труды Всесоюзной конференции.- JL: Гидрометеоиздат, 1990.- с.428-431.

38. Качурин Л.Г., Бекряев В.И. Исследования процесса электризации кристаллизующейся воды // ДАН СССР. 1960. - т.130. - №1. - С.57-60.

39. Бекряев В.И. Электризация кристаллизующихся водных аэрозолей как механизм генерации грозового электричества // Труды ЛГМИ. 1964.- вып.26. С. 295-308.

40. Качурин Л.Г., Бекряев В.И., Псаломщиков В.Ф. Экспериментальное исследование электрического явления, возникающего при кристаллизации слабых водных растворов // ДАН СССР. 1967. -т. 174.-№5. -С. 1122-1125.

41. Жекамухов М.К. Некоторые проблемы формирования структуры градин. Л. Гидрометеоиздат. 1982. - 173 с.

42. Аджиев А.Х., Казанкова З.П., Тамазов С.Т. // К вопросу об электризации кристаллизующихся капель воды-Труды ВГИ, М.:Гидрометеоиздат. — 1985. — вып.56. С. 25-30.

43. Аджиев А.Х., Казанкова З.П., Тамазов С.Т. // Контактная электризация кристаллизующихся капель воды. Труды ВГИ, М.:Гидрометеоиздат.- 1987. вып.67. - С. 195-208.

44. Аджиев А.Х., Тамазов С.Т. // Разделение электрических зарядов при кристаллизации капель воды.- Метеорология и гидрология. Л.гГидрометеоиздат. 1987. - С. 19-23.

45. Аджиев А.Х., Куповых Г.В. Атмосферные электрические явления на Северном Кавказе. -Изд-во. Таганрог. 2008. 138 с.

46. Вильяме Э.Р. Электризация грозовых облаков // В мире науки.- 1989.-№ I.-C. 34-44.

47. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. -Л.: Гидрометеоиздат, 1971.- 456с.

48. Weickmann H.K., aufm Kampe H.J. Preliminary experimental results conserning charge generation in thumderstorms concurrent with the formation of hailstorms. J. Met. - 1950. - v. 7. - №6. - p. 404-405.

49. Мейсон Б. Генерация зарядов в грозах. В кн.: Проблемы атмосферного электричества. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1969. - С. 166 -184.

50. Жекамухов М.К. К вопросу об электризации градин в облаке // Труды ВГИ 1977. - вып. 34. - С. 3-10.

51. Жекамухов М.К., Каров Б.Г., Кумыков Т.С. Упрощенная теоретическая модель процессов микро- и макроразделения зарядов в грозовых облаках // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки 2009 - №1. - С.35-37.