Электромагнитная и акустическая эмиссия при взрывной кристаллизации переохлажденной капли воды

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 535. 37:541. 14
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ И АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ВЗРЫВНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ КАПЛИ ВОДЫ
© А.А. ШнОкок, М. А. Желток, А. А. Королек, А.В. Мапорок
Д А. Shibkov. М.A. Zheltov. А.А. Korolev. A. V Mayorov. Electromagnetic and acoustic emission during spontaneous crystallization of the deep supercooled water drop. A crystallization kinetics ofthe deep supercooled water drop in the 243 258 К range was investigated by some in situ techniques: thermal, optical, acoustic and electromagnetic, lhe drop radius was varied l'-rom 1 mm to 6 mm. Under given thermodynamic conditions three stages ot the crystallization kinetics were found, namely a stochastic nucleation stage with a duration of-10'-'s. a themiodynamicly irreversible stage of spontaneous rapid crystallization of20 to 40 percent of drop volume with a duration of-10 ms. the isothermal solidification stage ot the rest ofthe volume with a duration of-10 s. Emission ol the specilic acoustic and electromagnetic signals dining the spontaneous crystallization stage was obserwed. Mechanism was discussed of electromagnetic emission signal based on the Workman — Reynolds effect. It was shown that phenomena of electromagnetic emission during crystallization of the small supercooled water drops allows one to explain an atmospherics in the middle- and long-wave ranges.
Кристаллизация многих диэлектриков сопровождается акустическим [К 3] и электромагнитным [3, 4] излучением в полосе частот — 104- 1 & lt-)° 1 ц. Последнее обычно связывается с вторичными быстропрот'-екающими явлениями, сопровождающими процесс кристаллизации, — зарождением и распространением ростовых трещин, а также электрическими пробоями. В [5, б] обнаружено, что кристаллизация дистиллированной воды при относительно небольших степенях переохлаждения АТ ~ 1 К сопровождается сверх-длинноволповым электромагнитным излучением в виде последовательности однополярных импульсов, названной, по аналогии с акустической эмиссией (АЭ), электромагнитной эмиссией (ЭМЭ). В [6] показано, что импульсы ЭМЭ связаны с эволюцией отдельных зерен (дендритов) поликристаллического льда и обусловлены морфологической неустойчивостью электрически активной фазовой границы лед / вода и, таким образом, непосредственно отражают нестационарный, скачкообразный характер кристаллизации в данных условиях охлаждения. Целью настоящей работы является исследование взаимосвязи параметров ЭМЭ с кинетикой кристаллизации в сильно неравновесных условиях: при взрывной кристаллизации капли дистиллированной воды, переохлажденной до А'-Г = (15 — 30) К.
Дистиллированную воду (!) с помощью шприца вводили в минеральное масло (2). налитое в стеклянную кювету (3) (рис. 1). Капля вода, в зависимости от вводимого объема (вплоть до V ~ I мл), сохраняла форму, близкую к сферической, и быта неподвижна за время наблюдения (до — К)3 с). Ее охлаждение осуществлялось путем внесения кюветы в криостат (4), температура которого варьировалась в пределах от -15° С до -30° С. Электрическую компонент}'- ЭМЭ -потенци-ш нестационарною электрического поля измеряли с помощью емкостного зонда (5) площадью 1 см². Канал регистрации электрического сигнала состоял из широкополосного предусилителя (6) (Ка = 10° Ом, (. 'о = 20 пФ. полоса пропускания
10- 10° Гц), коммутатора (7), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (Я) и компьютера (9). Одновременно процесс кристаллизации каши регистрировался в проходящем поляризованном свете с помощью полярископа, состоящего из источника света (10), поляроидов (11), микроскопа (12) и видеокамеры (13). Для термического контроля фазового превращения использовали термопару (14) (с чувствительностью 20 мкв/К и быстродействием, определяемым временем ее тепловой релаксации d 1а ~КГ с, где d = 100 мкм — диаметр проводников, а — коэффициент температуропроводности).
Из термограммы (рис. 2) и результатов видео-фильмирования следует, что кристаллизация капли состоит из трех стадий: 1) стадии стохастической пуклеации (рис. 26. I) при Т & lt- 7 М (7 м = 0° С — температура плавления льда), продолжительность которой (А1 = ЮМО-'- с) сильно зависит от величины переохлаждения Д7 = 7М — 7 и, как известно, несет информацию об энергии активации процесса нуклеа-ции1 2) стадии взрывной кристаллизации продолжительностью А/т — И) мс, на которой в переохлажденной капле спонтанно зарождается и растет ледяная пластина в плоскости, проходящей через цешр капли (рис. 26, II): 3) стадии квазиизогермического домер-запия оставшегося объема продолжительностью Аг-* ~ 10 с (рис 26, 111). Образовавшаяся ледяная гранула (рис. 26, IV) затем остывает до температуры
термостата в течение 10″ с В дальнейшем рассматривается стадия спонтанной взрывной кристаллизации. Простая оценка показывает, что при д7' = (15 _ 30) К /юля теїиа, вытекающего через внешнюю поверхность капли, не превышает десятых долей процента, и рост льда на этой стадии происходит в квазиадиабатических условиях. Из энергетического баланса следует, что
LP]\ =СрЛ'-гАТ, (1)
ЗУ 5
13
12
Рис. 1. Схема экспериментальной установки in situ исследования кинетики взрывной кристаллизации капли воды термическим. оптическим, акустическим и электромагнитным метолами. 1 — капля коды. 2 — иммерсионное масло,
3 — стеклянная кювета, 4 — морозильная камера. 5 — плоский емкостный зонд. 6 — предусилители, 7 — коммутатор, 8 — АЦП, 9 — компьютер. 10 источник света.
11 — поляроиды. 12 микроскоп. 13 — видеокамера, 14 — термопара, 15 -пьезодатчик. 16 стальной экран
Рис. 2. Термограмма охлаждения и кристаллизации переохлажденной капли воды радиусом Я — 3 мм (а) и стадии кристаллизации (б): I — сталия нуклеации, II — стадия квазиа-диабатической взрывной кристаллизации, III — стадия ква-зиизотермического затвердевания оставшегося объема воды, IV — остывание затвердевшей ледяной гранулы
где р| и р: — плотности льда и вода соответственно, Ср — теплоемкость йоды, Л — скрытая теплота кристаллизации, УI — объем ледяной фазы, У2 = У — ^ I] -объем жидкой фазы, с = р,/р,. У — объем каши. Из (1) можно оценить объем ль да, который может адиабатически вырасти в переохлажденной капле воды
І'-, =ГД/-(1 + Д).
(2)
где Д = Д7'-/(L (') — относительное переохлаждение. Учитывая, что к окончанию стадии взрывной кристаллизации ледяная фаза имеет вид диска толщиной 2/л получим:
h = 2/& lt-!Д/Зс (1 + Д).
(3)
где Я — радиус капли. Подставляя значения параметров типичного опыта: ДТ = 25 К, (), = 4,19 Дж/(г-К), Ь = 334 Дж/г, Д = 0,31, с = 0,92, Я — 3 мм, получим 2Ь = 1 мм, 1гго хорошо согласуется с оптическими наблюдениями. В результате выделения скрытой теплоты кристаллизации температура воды к окончанию '-п ой стадии достигает температуры плавления Т ~ 7'м, и последующая стадия кристаллизации (стадам III) происходит за счет теплообмена с термостатом.
На рис. 3 представлены осциллограммы сигналов ЭМЭ (1) и АГ) (2), сопровождающих спонтанное -зарождение и росг ледяной пластины Сигнал А З представляют'- собой, как правило, пачку из четырех — шести коротких импульсов, длительностью около 5 мс каждый. Типичный импульс ЭМЭ имел форму, близкую к треугольной, с временем фронта // = 10 мс,
амплитудой ф," = 70 мкв и временем спада т = 30 мс, соизмерили, 1 М с максвелловским временем релаксации, которое измерялось по методике, изложенной в [6]. 'I аким образом, фронт импульса ЗМЭ обусловлен преимущественно динамикой электродвижущей сипы, разделяющей заряд1"1 в ходе взрывной кристаллизации, а спад — '-электрической релаксации в двухфазной системе лед / иода. По времени фронта можно оценить среднюю скорость роста кончика ледяной пластины
«)] = 21{//-/ = 60 см/с и боковой поверхности
И) см/с (рис. 26, П).
Как известно, при кристаллизации разбавленных водных растворов электролитов между твердой и жидкой фазой возникает неравновесная разность потенциалов (потенциал замерзания) за счет формирования на активном фронте кристаллизации двойного электрического слоя (ДЭС), состоящего, в основном, из примесных катионов и анионов |7 — 9|. Согласно |9|, мошдость ДЭС и значение потенциала замерзания (¦' определяется произведением исходной концентрации примеси (В дистилляте (], гг 10 ^ МОЛ1,/ л), разности межфазных коэффициентов распределения катионов /& lt-. и анионов К. и скоростью фронта кристаллизации и. Поэтому ледяную пластину, растущую в канле воды на стадии взрывной кристаллизации, можно моделировать в виде двух антипарал-
= 2 А/,
Рис. 3. Осциллограммы импульсов электромагнитной (1) и акустической (2) эмиссии, сопровождающих взрывную кристаллизацию капли дистиллированной воды, переохлажденной до -25° С
дельных двойных слоев, расположенных на расстоянии 2/г друг от друга (плоский квадруполь). Расчет показывает, что амплитуда сигнала ЭМЭ (потенциал нестационарного электрического поля) связана с потенциалом замерзания I! и объемом ледяной фазы следующим соотношением:
срш = Ь (кх + к2) и сое, а.
(4)
*,=
А-, =
2п (х2 + Я2)3,'-
3(8−1)(/?2 -И2)ґ
л! х2 + ІІ2
Ь = С/(С+С0%
где к и к2 — безразмерные коэффициента, зависящие от геометрических и диэлектрических свойств льда и воды соответственно, х — расстояние между зондом и
центром каши, 1 — 21тК~, а — угол между плоскостью ледяной пластины и плоскостью зонда. Коэффициент к2 учитывает вклад в сигнал жидкой фазы, поляризованной полем ДЭС на межфазной границе лед / вода, Ь — коэффициент ослаблешм сигнала на входе предусилителя, С — емкос ть системы образец -зонд. Для оценки И возьмем типичные значения параметров задачи: х = 15 мм, Я = 3 мм, // = 0,5 мм (АТ = 25 К), 8= 81, а = 0- при этом срт= 70 мкВ,
к + к2 = 13 ¦ 10~3, Ь = 5 ¦ 10- и и =2 В. Выражения (4) позволяют оценивать потенциал замерзания, но амплитуде импульса ЭМЭ, сопровождающего кри-
сталлизацию и области больших скоростей роста (в которой межфазпые коэффициенты распределения нелинейно зависят от скорости роста |Ю|). труднодоступной ітія стандартного электрометрического метода измерения V [ 1 11.
Таким образом, обнаружено, что взрывная кристаллизация капли дистиллированной воды, переохлажденной на (15 — 30) К, сопровождается импульсом ЭМЭ с характерной верхней частотой в спектре у,-¼/,-и (АТ)/Ш и нижней V, ~ 1/тм [12].
Учитывая, что характерные скорости фронта кристаллизации в этом температурном интервале составляют и~ (0,1 — 1) м/с, а типичные размеры капель в
облаках К ~ (К)'-«- К)& quot-4) м итм ~ К Г2 с |6], получим оценку по порядку величины интервала характерных частої' в спектре ЭМЭ, обусловленной кристаллизацией отдельных капель V ~ (К)'- - 10'-) Гц. Наложение большого числа случайных импульсов ЭМЭ. обусловленных стохастической кинетикой кристаллизации переохлажденных мелких капелі, воды в атмосферных условиях, вызовет ЭМЭ в виде фликкер-шума, способную объяснить атмосферные радиопомехи в области средних и длинных волн.
Предложенная методика измерения существенно отличается от [13] бесконтактноетью, т. е. пассивностью (не оказывает влияния на процесс кристаллизации) и поэтому лучше моделирует электрокинетиче-ские явления в атмосферных условиях на уровне отдельных капель и, кроме того, позволяет исследовать их в области больших степеней переохлаждения (вплоть до температуры стеклования).
Полученные в работе результаты могут имел, значение как для фчндамегггальных, так и для прикладных исследований. Первое обусловлено тем обстоятельством, что в области больших переохлаждений (Д~ 1) и соответственно скоростей фронта кристаллизации (V) — (1 — 10) м/с), когда К. -& gt- 1, возможна смена механизма образования межфазового ДЭС за счет, например, селективного загребапия примесных ионов собственно фазовой границей. Поэтому исследования элек-ірокинегических явлений, в частности ЭМЭ, в сильно неравновесных условиях роста твердой фазы позволит в принципе оценивать потенциальную энергию взаимодействия адатомов с атомно-шероховатой поверхностью кристалл — расі пав, а также вл ияние ее собственного электрического поля на морфологию неравновесного роста 1 Ірикладпое значение определяется возможностью в лабораторных условиях моделировать некоторые «элементарные» атмосферные электромагнитные явления, например, /и їіш исследовать взаимосвязь процессов кристаллизации и электризации отдельных капель воды, устанавливать степені, скоррелированности таких событий в ансамбле капелі., а следовательно, изучать кинетику накопления его электрического потенциала в зависимости от величины переохлаждения, содержания примесей и внешних полей недиффузиоппой природы -акустического и элекэромагиитного
ЛИТЕРАТУРА
Ъюумкин і '. /7. А '-скот и- А'-Я.
Т (& gt-К ї4. і'- 13! 5 Сахар/н, І!. іі. Ипж фи — ж рн Кичурин Л. Г., Ко,іеа С.Н. Г! с ІЧК2 Т 2(& gt-7. М'2 Г 347
Шокироо Х. Н /іч'П (•7, 1' 1−2 С 2
I
Н. Ф.
ДАН (ЧЧТ
4. Гуозенко С). I[., Лапшин А. П., Косотурос, А.И. '-Грохан А. М. Журн. техн фи'-5. 1985 Т 55 Л1−3. ('- б 12
5. Головин Н).И., Шибкое А. А., Желтое- М.А., Татарко М.A., Ком-баров В.А., Мсілинин А.П. // Ит РАН ('ер фичическая І9У7 Т 6]. № 5. С 913
6. Шибкое А. А., Желтое М. А., Татарко М. А., Muiucmve НА. ¦ Весі и. '-І ГУ. Сер. Естесть. и техн науки. Тамбов. ! 99 К Т 3. Вып. 4. (/ 349.
7 Чернов А. А., Мельникова A.M. // Кристаллография 1971 Т 16
(' 477
8. Чернов А. А., Мельникова А. М. ¦ • Кристаллоірафия 197! Т. !6
С 488.
9. Bronshteyn V. A., Chernov А.А. И J. Gryst. Crnwth. 1991 V 112 P. 129
Ш. AzizM.J. // J Appl. Phys. 1982. V 53 P 1 15S
11. Мельникова А. М. Кристаллография 1969 Т 14 (' 548 1_ Макс Ж. Меюды и техника обработки сигналов при фичических намерениях. Т ! М Мир. 1983 311 с 13 Качурин Л. Г., Бекрнев В. II. Докл. АН СССР 19с& gt-о Т 13о С 57
БЛАГОДАРНОСТИ Рабата выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (регистрационный номер проекта: 98−02−17 054).
Поступила в редакцию 30 марта 1999 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой