Исследование заряженных аэрозолей электрооптическим методом (стр. 2 из 3)
Рис. 1. Блок-схема устройства для униполярной зарядки аэрозольных частиц.
Существует целый ряд способов для приобретения электрического заряда аэрозолями. Наиболее эффективным из них является способ зарядки частиц с помощью униполярного коронного разряда, позволяющий достичь предельно допустимых значений заряда. Зарядное устройство, используемое нами для электризации аэродисперсных частиц, подобно устройству, описанному Гевиттом [14]. Его блок-схема изображена на рис. 1. Проволочный коронирующий электрод 1 устройства расположен вдоль оси цилиндрического электрода 2, при этом часть поверхности цилиндра образована металлической сеткой 3, к которой снаружи примыкает канал зарядного объема. Этот канал, в свою очередь, образован изоляционными стенками 4 и электродом вытягивающего поля 5, представляющим собой часть цилиндрической поверхности большего радиуса, расположенной соосно с цилиндрическим электродом 2.
Заряжаемые аэрозоли из генератора аэрозолей 6 поступают в канал зарядного объема, образованный заземленной сеткой 3 и электродом вытягивающего поля 5. Газовые ионы, образующиеся в зоне коронного разряда между электродами 1 и 2, при подаче на них высокого напряжения от источника 8 через заземленную сетку 3 вытягиваются электрическим полем источника 7 в зарядный объем, где вследствие упорядоченного движения ионов происходит зарядка аэрозольных частиц. В схеме использованы следующие приборы: 7 - источник вытягивающего поля – блок питания Б1-4; 8 - источник высокого напряжения (013 кВ) типа БП 13-0,5; 9 - микроамперметр (050 мкА) типа М-494 для контроля тока коронного разряда.
Если напряженность поля в зарядном устройстве не превышает 100 В/см, то осуществляется диффузионный режим зарядки. При напряженностях поля, больших значения 1 Кв/см, осуществляется преимущественно ударный режим зарядки частиц. Время зарядки частиц t определяется экспериментально, как частное от деления длины зарядного устройства на скорость течения аэровзвеси. При ударном режиме зарядки частиц вытягивающее поле должно создаваться источником переменного напряжения, так как в случае постоянного вытягивающего поля большой напряженности неизбежна потеря значительной части заряжаемых аэрозолей, осаждающихся на электроде 5. Концентрация заряженных частиц определяется счетчиком аэрозолей АЗ-5. Заряд частиц контролируется измерителем плотности объемного заряда 10 нашей конструкции.
Изучение электрооптических явлений в заряженных аэродисперсных средах позволяет получить информацию о связи зарядов и электрических дипольных моментов частиц и представляет значительный интерес при исследовании процессов электризации аэрозолей и образования двойных электрических слоев. Состояние сильно развитой поверхности аэрозолей оказывает определяющее влияние на их поведение в электрических полях.
Образование двойного электрического слоя можно наблюдать у заряженных частиц. В процессе заряжения отрицательные ионы и свободные электроны при контакте с частицей заряжают ее отрицательно, при этом электроны уходят в частицу, а ионы, передав электроны частице, могут покинуть ее в виде нейтральных молекул. Положительные ионы, в свою очередь, достигнув частицы, извлекают из нее электроны, при этом работа ионизации зависит от величины работы выхода электронов из частицы.
Заряженная частица притягивает противоположно заряженные ионы, и на ее поверхности образуется двойной электрический слой. В зависимости от заряда поверхности на ней имеет место адсорбция ионов, которая может быть как положительной, так и отрицательной (избыток или недостаток ионов). При потенциале нулевого заряда ионы не притягиваются к поверхности частицы, и поэтому электростатическая адсорбция ионов поверхностью равна нулю. Если ионы адсорбируются поверхностью не только за счет кулоновской силы, но и за счет других специфических сил, то и при нулевом заряде частицы адсорбция не равна нулю. С помощью [15] электрооптического фотометра было исследовано влияние, которое оказывает процесс униполярного заряжения аэрозолей на ход полевых зависимостей электрооптического отклика E) и (E2). Регистрация осуществлялась с помощью селективного усилителя УПИ-1, подключенного к выходу ФЭУ и настроенного на частоту импульсного ориентирующего поля. Угол рассеяния фиксировался (Q=450). Зависимости (E) измерялись для аэрозолей хлорида аммония, заряжаемых в режиме униполярной диффузионной зарядки.
Рис. 2. Зависимость электрооптического светорассеяния от напряженности импульсного ориентирующего поля для разных зарядов частиц
На рис. 2 приведено снятое при различных значениях зарядов частиц семейство графиков зависимости величины электрооптического светорассеяния от напряженности E ориентирующего поля прямоугольных однополярных импульсов с частотой следования, равной 1 кГц. Из графиков видно, что величина фотоотклика увеличивается при заряжении частицы хлористого аммония положительно заряженными ионами и уменьшается при заряжении частиц отрицательными ионами.
Эффект выражен тем ярче, чем больший заряд получают аэродисперсные частицы. При больших значениях среднего отрицательного заряда, приходящегося на частицу (-90e, что близко к предельному заряду для частиц этого размера), значение отклика электрооптического светорассеяния заметно уменьшается. Полевые зависимости величины электрооптического светорассеяния имеют характерную S-образную форму. В начальной части кривые изменяются по квадратичному закону (до значений напряженности поля 1-2 кВ/см), при этом крутизна кривых растет с ростом напряженности. После квадратичного участка наблюдается участок перегиба, на котором крутизна кривой начинает уменьшаться. Для участка перегиба характерны напряженности поля 4 6 кВ/см.
После перегиба на кривых наблюдается протяженный пологий участок, тянущийся до значений напряженности примерно 8 кВ/см. При больших напряженностях ориентирующего поля наблюдается резкий спад величины электрооптического отклика (отрицательный наклон кривой), обусловленный началом наблюдаемого визуально электрофоретического движения аэрозолей в электрическом поле. Электрофорез аэрозолей сопровождается образованием линейных нитеобразных комплексов, участвующих в поступательном движении в направлении поля, что маскирует одновременные колебательно-вращательные движения аэрозольных частиц с частотой ориентирующего поля и приводит к снижению электрооптического отклика. Электрофорез отрицательно заряженных аэрозолей начинается несколько раньше, чем у нейтральных и положительно заряженных частиц, следовательно, положительно заряженная аэродисперсная система является более стабильной, чем заряженная отрицательно. Наблюдаемый эффект изменения электрооптического отклика в зависимости от заряда мы объясняем изменением значения индуцированного дипольного момента аэрозольных частиц, происходящим при их ориентации в поле. Появление у частицы индуцированного дипольного момента в последнее время связывают с эффектом поляризации двойного электрического слоя [5, 9]. Описанные выше зависимости электрооптического светорассеяния от частицы ориентирующего поля свидетельствуют о проявлениях концентрационной поляризации двойного электрического слоя (ДЭС).
Зависимость отклика от величины заряда свидетельствует о наличии выравнивающих поверхностных ионных токов, возникающих при отклонении ДЭС от равновесия при помещении частицы в электрическое поле. Заряжение частицы изменяет соотношение составляющих поверхностного ионного тока, протекающего при поляризации ДЭС.
Так, если у положительно заряженных частиц в переменном электрическом поле доминирует ток ионов, связанных со слоем Штерна или имеющих малую подвижность, то это равносильно увеличению постоянного дипольного момента частицы.
Если же у частицы при протекании уравнивающего тока доминирует поток ионов, связанных с диффузным слоем Гуи или имеющих большую подвижность, то это равносильно уменьшению дипольного момента частицы.
На рис. 3 изображено семейство графиков зависимости величины электрического светорассеяния частиц хлорида аммония от квадрата напряженности импульсного ориентирующего поля при постоянной частоте следования импульсов, равной 1 кГц. Графики сняты при различных значениях среднего заряда, приходящегося на одну частицу
Рис. 3. Зависимость электрооптического светорассеяния от квадрата напряженности импульсного ориентирующего поля для разных зарядов частиц.
На графиках отчетливо выделяются три области, характеризующиеся различными степенями ориентации частиц:
линейная зависимость светорассеяния в начальной части кривой соответствует низкой степени ориентации;
перегиб кривой соответствует средним степеням ориентации частиц;
пологая часть кривой соответствует полной ориентации частиц в электрическом поле.
Из кривых видно, что ориентация отрицательно заряженных частиц наступает при меньших значениях напряженностей ориентирующего поля. Так как увеличение или уменьшение дипольного момента у разноименно заряженных частиц связывается нами с особенностями строения их двойного слоя, было решено исследовать электрооптический отклик аэрозольных частиц хлорида аммония с поверхностными слоями, образованными адсорбцией паров различных спиртов и полярных растворителей.