Гистерезис польовий залежності сигналу электрооптического светорассеяния в аерозолях

Гистерезис польовий залежності сигналу электрооптического светорассеяния в аэрозолях

Сушко Б.К.

Электрооптические ефекти в колоїдах і суспензіях [1−2] йдуть на структурного аналізу цих середовищ, і навіть є підвалинами цілого ряду оптоэлектронных пристроїв. Робота присвячена експериментальному дослідженню низькочастотної динаміки электрооптического светорассеяния, индуцируемого змінним електричним полем у системі аэродисперсных частинок.

В останнім часом ефекти светорассеяния широко використовуються щодо властивостей аэродисперсных систем [3]. Для вивчення электрооптических ефектів в модельних аерозолях розробили установка, що є электрооптический фотометр із державною реєстрацією світла, розсіяного на аерозольним струмені під кутами 45* і 90* до подання світлового пучка, і яка містить, ще, систему генерації високовольтного ориентирующего напруження і прилади контролю дисперсного складу частинок.

Схема электрооптического фотометра зображено на рис. 1. Світловий потік джерела світла — лампи розжарювання 1 проходить через поляризатор 2 і направляється системою лінз в проточну электрооптическую осередок 3. Прямий світ джерела 1 поглинається в светоловушке 4. З генератора аерозолів досліджувані аэродисперсные частки вступають у электрооптическую осередок 3 і потрапляють у межэлектродный обсяг, де піддаються дії ориентирующего електричного поля. Світло, розсіяний аерозольним системою, потрапляє на фотоумножувач 5 (ФЭУ). Електричний сигнал із виходу ФЭУ посилюється підсилювачем 6, випростується синхронним детектором 7 і реєструється системою реєстрації 8. Вимірювання розсіяного світлового потоку виготовляють тлі чорного тіла, виконаного в вигляді конуса-светоловушки 9. Складовими частинами установки є також ставить генератор 10 і високовольтний трансформатор 11. Досліджувані аерозолі проходять через электрооптическую осередок 3 (перпендикулярно площині малюнка) в вигляді струменя, омитою потоком чистого повітря. При подачі із вторинною обмотки трансформатора 11 гармонійного сигналу ориентирующего поля на електроди осередки 3 здійснюється періодична орієнтація аэродисперсных частинок в електричному полі, що залежить від його напруження й частоти, і навіть від заряду, матеріалу і стан поверхні частинок. У цьому виникають періодичні зміни просторового розподілу розсіяного частинками світла (индикатрисы розсіювання). Ориентирующее напруга, подаване на электрооптическую осередок 3, виробляється високовольтним трансформатором 11, керованим з допомогою звукового генератора 10 (типу ГЗ-56/1). Схема дозволяє отримувати змінюється по гармонійного закону сигнал з амплітудою, регульованої не більше від 0 до 8 кВ і із частотою коливань, мінливою в межах від 0,02 до 6 кГц. З допомогою описаного электрооптического фотометра провели дослідження польових залежностей сигналу электрооптического розсіювання світла на несферических частинках хлориду амонію в синусоидальном електричному поле.

.

Рис. 1. Блок-схема установки на дослідження польових залежностей электрооптического светорассеяния в аерозолях.

Ориентирующее напруга, подаване на затискачі электрооптической осередки із виходу трансформатора 11, змінюється по гармонійного закону. З допомогою цифрового вольтметра 8, підключеного до виходу ФЭУ, і киловольтметра 14 при постійної частоті зміни напруги, рівної 60 гц, знімалася польова залежність электрооптического відгуку. До кожного значення напруги на обкладках осередки фіксувалися відповідні їм значення фотоотклика, і з отриманим даним будувалася залежність электрооптического відгуку від напруженості поля I=f (E) (мал.2). Оскільки напруженість поля була в осередку змінюється як за амплітудою, а й у знаку, то залежність I=f (E зображено симетричній щодо осі ординат.

.

Рис. 2. Польова залежність электрооптического светорассеяния в синусоидальном електричному полі частотою 60 Гц.

На підставі експериментально отриманого графіка польовий залежності электрооптического ефекту шляхом графічного диференціювання визначено ряд значень для повної P. S і диференціальної SA крутизни электрооптического ефекту і з точкам побудовано залежності P. S e SA від iai? y?aiiinoe електричного поля (рис.3). Повна крутість P. S польовий залежності характеризує спо-собность даної конкретної системи аерозолів за умов заданого поля створювати электрооптический эффект.

На ділянці оа кривою I (E) кут нахилу кривою до осі абсцис про-порционален початковій повної крутизну польовий залежності Sн, яка харак-теризует электрооптические властивості аерозолів у цій галузі і залишається по формуле. Розмір на-чальной повної крутизни польовий залежності дозволяє судити про електрооптичний ефект у сфері слабких полів. Далі повна крутість збільшується, й у діапазоні напряженностей поля, відповідних «коліну «польовий залежності, сягає своїх найбільших значень. На мал.2 «коліно «перегину кривою I (E) представле-но ділянкою бс. Потім повна eрутизна змінюється майже з лінійному закону, що вирізняло області насичення кривою. Аналогічно вищевикладеному, для точки б кривою знайдемо максимальну повну крутизну SMAX польовий залежності:. Тут *МАХ — кут нахилу дотичній, проведеної до кривою I (E) в точку б з початку координат. Ве-личина максимальної повної крутизни характеризує цю систему аерозолів з погляду отримання найбільшого электрооптического ефекту. Загальний вид залежності S (E) повної крутизни P. S від напруженості поля Є приведено на рис. 3. Як очевидно з графи-ка залежності, повна крутість электрооптического ефекту аерозолів змінюється у досить широ-ких межах. Диференційна крутість электрооптичес-кого ефекту є ставлення збільшення dI электрооптического відгуку (светорассеяния) до який викликав його збільшенню напруженості електричного поля dE. Графічно значення диференціальної крутизни польовий залежності для даної крапки над графіці можна визначити, якщо провести дотичну до кривою I (E) у цій точці (ні з початку координат). Крива залежності диференціальної крутизни від напруженості SA (E) oae? a приведено на рис. 3. Вона має приблизно такого ж вид, як і крива S (E) залежності повної крутизни электрооптического ефекту, та її максимум розташований лівіше максимуму кривою S (E) e виражений більш явно. Поняття середньої крутизни электрооптического ефекту відповідає істотно нелінійному режиму роботи і можна буде говорити лише за обліку форми нелінійної польовий залежності электрооптического ефекту. Нами була спроба напівавтоматичного отримання польових залежностей электрооптического ефекту з допомогою осциллографического методу. Аби вирішити це завдання що за різних значеннях напруженості ориентирующего електричного поля, впливає на частки в межэлектродном просторі электрооптической осередки, нами отримали і проаналізовані осциллограммы сигналу электрооптического светорассеяния, зняті з точки 45* до подання поширення світла. У цьому на електроди осередки подавалося ориентирующее високовольтна змінне напруга частотою 60 гц. При дослідженні сигналу светорассеяния використовувався метод постатей Лиссажу.

.

Рис. 3. Польова залежність I (E) электрооптического светорассеяния й формує відповідні їй функції крутизны.

.

Рис. 4. Осциллограммы і фігури Лиссажу для сигналів электрооптического светорассеяния.

Для реалізації методу на вхід Y осцилографа подавалося напруга, снимаемое з виходу фотоэлектронного умножителя, але в вхід Х — пропорційний напруженості поля була в осередку сигнал із виходу дільника напруги 13. Регулюванням синхронізації можна домогтися появи на екрані осцилографа нерухомій постаті Лиссажу. На рис. 4 наведено осциллограммы сигналу электрооптического светорассеяния, отримані щодо різноманітних значень напруженості ориентирующего електричного поля й формує відповідні їм постаті Лиссажу. Частота зміни електричного поля завжди однакова і дорівнює 60 гц. З осциллограммы а) бачимо, що з малих напряженностях поля (приблизно до 500 В/см) электрооптический відгук на синусоидальное вплив практично синусоидален, та заодно характеризується подвійний частотою по відношення до частоті ориентирующего поля (120 гц). Постать Лиссажу у разі має класичну форму правильної лежачої вісімки. Збільшення напруженості поля до $ 1,5 кВ/см призводить до викривлення форми вісімки, у своїй її центральна точка зміщується догори, що свідчить про зміні фазових співвідношень сигналів, вступників на входи Х і Y осцилографа. На зміна фази реєстрованого сигналу щодо фази ориентирующего напруги при электрооптических дослідженнях звертали увагу у низці робіт з электрооптике коллоидов[4,5]. Сигнал, снимаемый з ФЭУ у сфері цих напряженностей поля, є викривлену синусоїду з подовженими верхніми і укороченими нижніми обводами (осциллограмма b). При напряженностях ориентирующего поля порядку 3 кВ/см осциллограмма сигналу электрооптического відгуку якісно відповідає осцилограмою зміни напруги при двухполупериодном выпрямлении (осциллограмма з). При підвищенні напруженості електричного поля до 5 кВ/см спостерігається подальше спотворення сигналу фотоотклика. Які Генеруються системою періодичні імпульси негативною полярності зі зростанням напруги на обкладках осередки дедалі більше загострюються, що свідчить про розширення частотного спектра сигналу до області високих частот, а проміжки між імпульсами стають дедалі більше пологими (осциллограмма d). Описувані нелинейные явища пояснюються насиченням электрооптического ефекту. При малих напряженностях ориентирующего поля ступінь орієнтації ансамблю аерозольних частинок збільшується приблизно пропорційно амплітудою електричного поля, при середніх ж значеннях напруженості майже всі частки орієнтуються полем, і зростання электрооптического ефекту практично припиняється. При підвищенні напруженості поля понад цих значень, насичення ефекту встановлюється все швидше, що зумовлює дедалі більшої загострення негативних імпульсів, можна побачити на осцилограмою сигналу. Ecia? acei ia iaiii a? aoeea niyoua a aaeiii ianooaaa iieaao? caaeneiinou I=f (E) (e?eaay ia) e inoeeeia? aiio oioiioeeeea (oeao?o Eenna? o), iieo? aiio? aey iai? y?aiiinoae iiey, niioaaonoao? ueo ianuuaie? электрооптического yooaeoa (див. мал.5) і розглянемо їх докладніше. I? e iaei? aiee e? eauo ii? ii caiaoeou, ?oi iieaaay caaeneiinou I=f (E) niaiaaaao n inoeeeia? aiiie oieuei a iaeanoe i? aaaeuiuo iai? y?aiiinoae iiey (ii?yaea 8 eA/ni), a i? e iaiuoeo cia? aieyo iai? y?aiiinoe iieaaay caaeneiinou i? ioiaeo ia? ao ?anoiayueieny aiec aaoayie oeao? u Eenna? o.

.

Рис. 5. Зашморг граничного гистерезисного циклу электрооптического розсіювання світла аэрозолях.

Увеличение напруженості поля була в осередку до максимуму ЕМАХ відповідає наступові режиму электрооптического насичення, коли всі що є частки орієнтовані полем. При наступному зменшенні напруги на обкладках осередки, з осциллограммы, кри-вая дезорієнтації частинок іде по кривою польовий залежності, знятої в статичному режимі, а, по совер-шенно новому шляху а-б (див. мал.5). Крапка б відповідає такого стану аэродисперсной системи, коли напруга на обкладках чарунки й, соответ-ственно, напруженість ориентирующего поля, рівні нулю. Проте электрооптический ефект в аерозолях у своїй не рівним нулю, а визначається фотооткликом, якому відповідає відрізок про. Його може бути залишковим электрооптическим ефектом (залишковим светорассеянием). Поява залишкового светорассеяния свідчить про наявність в що спостерігається електрооптичний ефект гистерезисных явищ. Электрооптический гистерезис у тому, що обсяг электрооптического ефекту, виникає в колоїдах, залежить тільки від напруженості ориентирующего поля, а й від пред-шествующего стану (ступеня орієнтації) речовини дисперсною фази щодо дисперсионной середовища. Далі, при зміні полярності синусоидального ориентирующего поля на протилежну та деякій початковому зростанні напруженості поля мушу помітити, що спад электрооптического ефекту триватиме ще кілька днів (ділянку кривою б-в). Цей запізнілий спад фотоотклика у разі зростання напруженості поля свідчить у тому, що аэрозольная система хіба що «пручається «переорієнтації частинок. Для подолання цього опору і, отже, для повної переорієнтації системи аерозольних частинок, необхідно створити у осередку електричне полі із другого (негативною) напруженістюЄС, яку (проводячи аналогію з магнітними явищами) може бути коэрцитивной силою электрооптического ефекту. При подальшому збільшенні на-пряженности електричного поля до величиниЕМАХ отримуємо значення фотоотклика IГ=IМАХ, у якому настає насичення электрооптического ефекту для проти-воположно спрямованого поля. Наступне зменшення напруженості ориентирующего поля до нуля лише частково дезорієнтує систему, сигнал плавно спадає за дзвоновидною кривою г-б, у своїй электрооптический ефект в аерозолях за відсутності поля знову стане характеризуватися не рівним нулю фотооткликом, відповідним відтинку про. Подальше увели-чение напруженості електричного поля до величини ЄС знову повністю дезорієнтує систему аерозолів (ділянку кривою б-д). Наступний за ним зростання напруженості поля до величини ЕМАХ знову призводить до того, що электрооптический відгук сягає преж-ней граничною величини IА=IМАХ (ділянку кривою д-а). Отже, для періодично мінливого по гармонійного закону електричного поля залежність виникає у своїй ефекту электрооптического светорассеяния в аерозолях від напряжен-ности електричного поля була в осередку Е (I) треба вдавати як системи двох замкнутих полупетель абвгбда, — своєрідною баттерфляй-петли гистерезиса электрооптического ефекту. Гистерезис электрооптического светорассеяния в аерозолях викликається відставанням за фазою орієнтації несферических частинок від напруженості поля була в осередку, у зв’язку з ніж напрям вектора орієнтації частки у кожний час є наслідком його передісторії. Описані гистерезисные явища найяскравіше виявляючись у насиченні ефекту, тому гистерезисную петлю, отриману за цих умов (при напряженностях насичення) вважатимуться граничним гистерезисным циклом электро-оптического ефекту.

.

Рис. 6. Перебування электрооптического відгуку системи аерозолів на вплив гармонійного ориентирующего поля.

Электрооптический ефект квадратичен, тому система частинок реагує лише з величину напруженості поля і реагує з його напрям. Якщо дзеркально відбити ліву експериментально отриману напівпетлю вгд щодо осі абсцис (в становище вед), одержимо класичну петлю гистерезиса абведа, що мала б місце у тому випадку, якби электрооптический ефект залежав від напрямку електричного поля (рис. 5). Гистерезис в аерозолях — це явище, яке у тому, що фізична величина, характеризує стан системи частинок (светорассеяние), неоднозначно залежить одної фізичної величини, що характеризує міняються зовнішні умови (напруженість електричного поля). Гистерезис спостерігатиметься у випадках, коли стан аерозольним системи в момент часу визначається зовнішніми умовами, які були попередніми моменти часу. Неоднозначна залежність величин спостерігається у багатьох процесах, оскільки зміни стану тіла завжди потрібна певна час, у своїй реакція тіла відставатиме від які її причин. Класичним прикладом такий залежності є петля гистерезиса, що настає при циклічний перемагничивании ферромагнетиков [6]. Для раз-ных умов досвіду криві электрооптического відгуку виходять то вужчими, то більш ши-рокими, що має бути темою для подальших досліджень. Числен-но площа петлі гистерезиса, як випливає з теоретичних міркувань, мусить бути прямо які хорасдует джерело поля однією цикл пропорційна поте-рям електроенергії, переорієнтації всіх частинок, які у одиниці обсягу аэродисперсной середовища. По експериментально отриманої нами гистерезисной характеристиці электрооптического відгуку, що відповідає граничного гистерезисному циклу, з допомогою графоаналити-ческого методу трьох проекцій графічно був знайдено відгук системи аерозолів на вплив гармонійного ориентирующего напруги. Цей відгук відповідає процитованими раніше осцилограмами процесу (див. мал.6). Отримані результати свідчить про застосовності цього розрахунку нелінійних систем з гистерезисом для аналізу поведінки аерозолів за її орієнтації, можливої у електричному полі, а й у інших потенційних полях (на полі тяжіння, повітряному потоці тощо. [7]).

Список литературы

1. Электрооптика колоїдів. Київ.: Наукова думка, 1977. — 200 з.

2. Зуєв В.Є., Копытин Ю. Д., Кузиковский А. В. Нелинейные оптичні явища в аерозолях. Новосибірськ: Наука, Сиб. птд — ние, 1980. 184 с.

3. Сушка Б. К. Вплив електричних полів на розсіювання світла зарядженими аерозольними частинками // Вісник Башкирського держ. університету. — 2000. — № 2−3. — С.10−14.

4.Войтылов В. В., Зернова Т. Ю., Трусів А. А. Експериментальне дослідження полидисперсности водного коллоида палыгорскита, суспензий E. COLI і PS. FLUORESCENS электрооптическим методом // Коллоидн. журнал.-2001.-Т.63.-№ 1.-С.25−31.

5. Толстой Н. А., Спартаков А. А., Трусів А. А. Электрооптические властивості лиофобных колоїдів // Коллоидн. журнал. -1966. Т.28. Вып.5. С.735−741.

6.Кринчик Г. С. Фізика магнітних явищ. — М.: Вид-во Моск. ун-ту, 1985.-336 з.

7. Долгинов О. З., Гнедин Ю. Н., Силантьєв Н. А. Поширення і поляризація випромінювання у космічній середовищі. М.: Наука, 1979. 424 с.

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.