Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Импульсные диэлектрики

Впервые вопрос о возможности создания импульсных диэлект­риков и перспективах их использования в технике был поставлен в 1954 г. [3, 4, 6, 7, 36, 41]. Известно, что при наложении на ионо­проводящую жидкость электрического поля ионы начинают дви­гаться в поле сообразно своим зарядам со скоростями, зависящими от их массы, степени гидратации, свойств жидкости и напряжен­ности электрического поля. При этом электрическое поле может быть создано в жидкости не только погружением в нее электродов, но и внешними электродами, не связанными прямым контактом с жидкостью.

При воздействии на жидкость импульсного электрического поля возможно такое состояние, когда Тяжелые ионы практи­чески не успеют начать движение, а процесс воздействия на них окажется уже законченным. Поэтому многие ионопроводящие жидкости в таких быстро возникающих и быстро исчезающих импульсных полях по существу будут вести себя как диэлектрики, и тем лучшими диэлектриками они будут, чем короче будет интер­вал времени приложения импульса напряженности поля.

Поскольку сообщение ионопроводящим жидкостям свойств, присущих только жидкостям-диэлектрикам, осуществляется при­ложением импульсных напряжений, то рационально ввести термин, характеризующий особые свойства подобного рода жидкостей, назвав их импульсными диэлектриками.

Перспективы практического использования импульсных ди­электриков выдвинули задачу повышения их диэлектрических свойств, так как на практике важно не только превратить данную ионопроводящую жидкость в импульсный диэлектрик, но и успеть использовать ее новые положительные свойства, возникающие при ЭТОМ.

Теоретические соображения по поводу возникновения и про­текания сверхдлинного и реверсивного разрядов, основанные на поведении в жидкости положительных и отрицательных ионов, позволили предположить, что для сообщения проводящим жид­костям высоких диэлектрических свойств следует создать в них условия, позволяющие управлять поведением ионов. Процесс движения ионов осложняется тем, что независимо от электриче­ского поля в жидкости идет процесс рекомбинации ионов, состоящий в непрерывной нейтрализации — исчезновении ионов в одной точке объема жидкости и возникновении их в другой.

Перемещение ионов внешне выглядит как процесс медленного «просачивания» или «просеивания» противоположно движущихся ионов через два своеобразных «сита»: неподвижное «сито» неиони - зированных молекул данной жидкости и подвижное «сито», образованное потоком противоположно заряженных ионов, дви­жущихся навстречу друг другу. Эти движения совершаются по сути дела без «свободного пробега» между соударениями, путем постоянных электрических контактов заряженного иона с элек­трическими полями одноименно и противоположно заряженных ионов. 'Подобное движение ионов можно представить как про­цесс «раздвигания» движущимся ионом движущихся ему на­встречу ионов другого знака и «неподвижных» нейтральных молекул.

При импульсном воздействии двух соприкасающихся упругих или относительно упругих объектов друг на друга резко умень­шаются возможности их взаимного движения, наблюдается явле­ние взаимного удерживания на месте — взаимоторможения. Когда электрический импульс, вызвавший появление этого явления, будет снят, то оба иона за счет сил упругости должны оттол­кнуться друг от друга и разойтись в противоположные стороны. А поскольку всякое перемещение иона есть ионный ток, то внешне указанный выше процесс взаимоотталкивания будет выглядеть как появление в жидкости короткого импульсного тока противополож­ного направления. Величина и направление этого тока могут быть зарегистрированы.

Таким образом, при импульсном воздействии внешнего электрического поля на ионопроводящую жидкость в общем дви­жении ионов, вызванном его приложением, станет наблюдаться явление взаимоторможения, приводящее к дополнительному усложнению условий перемещения ионов в жидкости. В этом новом процессе общая масса практически остановившихся ионов станет тем более неподвижной, чем больше степень ионизации, круче фронт импульса приложенного напряжения и чем стабильнее его нарастание, протекание и спад.

Однако очевидно, что число ионов в единице объема жидкос­ти будет зависеть не только от степени ее ионизации, но и от величины проходящего по ней тока. Число противоположно движу­щихся ионов будет в значительной степени влиять на скорость их взаимного перемещения, поэтому увеличение силы тока будет повышать добротность жидкости как импульсного диэлектрика.

Иное дело — степень ионизации. Хотя повышение ее значения, казалось бы, и желательно, ибо число ионов в единице объема жид­кости при этом растет, но тем не менее, учитывая большие потери энергии, возникающие по этой причине в предразрядный период, следует с осторожностью рекомендовать ее увеличение выше некоторого предела определяемого упомянутыми выше условиями.

Состояние взаимоторможения ионов сохраняется стабильным, а ионы остаются практически неподвижными все время, пока сохраняется неизменность крутизны фронта нарастания или спада импульса напряженности поля. Малейшие изменения нарастания или спада крутизны фронта импульса будут изменять условия процесса взаимоторможения и неподвижности ионов,, изменять ту стабильность, которая установилась, и вызывать перемещение ионов относительно друг друга. Следовательно, стабильность нарастания или спада крутизны фронта импульса напряженности поля является определяющим фактс1ром в сохранении данной жидкостью свойств импульсного 'Диэлектрика, приобретенных ею при импульсном приложении ПОЛЯ.

Если ток — это фактор, определяющий количество ионов, уча­ствующих в процессе взаимного перемещения, то напряжен­ность поля — фактор, определяющий энергию и скорость переме­щения этих ионов. Крутизна фронта импульса тока определяется скоростью вступления в процесс общего перемещения все новых и новых ионов. Крутизна фронта импульса напряженности поля определяет скорость сообщения этим ионам дополнительной энер­гии, определяет изменение скорости их взаимного перемещения. Поэтому можно сделать вывод, что если крутизну фронта импуль­сов тока и напряжения согласовать, то средняя энергия, приходя­щаяся на один заряд — ион, может остаться постоянной. Другими словами, по мере увеличения количества вступающих в процесс движения ионов одновременно и равномерно может увеличивать­ся (или даже уменьшаться) энергия, приходящаяся на один заряд — ион. Таким образом, условия, вызывающие явление само­торможения, превратившие данную жидкость в импульсный диэлектрик, могут оставаться стабильными сколь угодно долго, стоит лишь обеспечить условия этой стабильности.

Под термином «самоторможение» следует понимать длительный относительный покой двух или нескольких ионов, тесно контакти­рующих своими силовыми электрическими полями с другими ионами и пребывающих в состоянии относительного покоя строго определенное некоторыми условиями время. Этими условиями являются броуновское движение, конвекция и энергия электри­ческого поля, действующего на ионы (ибо можно допустить существование и таких полей, под влиянием сил которых ионы просто «раздавят» друг друга, а жидкость превратится при этом в какое-то новое вещество). Этот случай представляет интерес при изучении явлений сверхмощного импульсного электролиза, осуществляемого при сверхвысоких напряженностях ПОЛЯ.

При движении в жидкости происходит торможение ионов за счет сопротивления движению, аналогичного трению, за счет упру­гих столкновений, приводящих к потере скорости ионов, й неупру­гих столкновений (явление «взаимоудержания»), приводящих к временной остановке движения ионов, а также за счет инерци­онных потерь скорости при изменениях направления движения ионов. Можно предположить также, что тяжелые, малоподвижные ионы при своем движении в электрическом поле перемещаются относительно прямолинейно, тогда как легкие, подвижные ионы движутся по криволинейным траекториям, «огибая» тяжелые ионы. При прямом столкновении тяжелого и легкого ионов из-за большой разницы их линейных размеров возможность «огибания» легким ионом более тяжелого становится затруднительной, в силу, чего явление взаимоторможения облегчается.

Специфические свойства геля, которые позволяют не только резко уменьшать скорости движения ионов, но и полностью их затормаживать (например, при повышении объемного содержания или изменении структуры или свойств геля), представляют боль­шой интерес для практического использования импульсных диэлектриков. Большое многообразие видов, свойств и структур гелей позволяет использовать их очень широко.

Ионы в гелях движутся подобно ионам, проходящим через сетку сверхтонких капилляров. При этом их скорости уменьшаются с уменьшением диаметра и под влиянием свойств поверхности капилляров. Допустимо предположение о возможности полной «закупорки» отверстия капилляра ионным «тромбом», состоящим из одного или нескольких однотипных ионов, и поэтому о полном прекращении перемещения по капилляру всех других ионов.

Таким образом, использование гелей наилучшим образом будет способствовать торможению ионов, поскольку поры гелей практи­чески соответствуют отверстиям капилляров минимально воз­можного диаметра.

Способность гелей тормозить движение ионов хорошо ил - - люстрирует следующий опыт. На электроды, выполненные в со­ответствии с принципом получения сверхдлинного разряда и раз­мещенные в ванне, заполненной водным гелем желатина, подава­лось импульсное напряжение (£/ = 50 кВ, С = 0,1 мкФ). При рас­стоянии между электродами, равном 5,0 см, на прямой поляр­ности (положительный электрод изолирован по всей длине, кроме переднего края) искрового разряда не возникало. Были заметны слабые стримеры длиной около 0,5—0,8 см у положительного электрода. Искровой пробой наступил только при сближении электродов на расстояние до 1,0 см и градиенте около 50 кВ/см. После того как гель полностью распался, искровой пробой насту­пал уже при расстоянии между электродами до 25 см и градиенте около 2 кВ/см.

При перемене полярности искровой пробой не наступал при расстоянии между электродами 0,5 см, стример реверсивного

Разряда развивался от конца отрицательного электрода в проти­воположную положительному электроду сторону на расстояние до 5,0 см. В полностью распавшемся геле пробой наступал при расстоянии между электродами, равном 1 см, или одновременном реверсивном разряде длиной до 20 см. Очевидно, что при достаточ­ном содержании геля любой ион, начиная с самого тяжелого, может быть полностью заторможен в порах геля и проводимость геля в соответствии с законом Кольрауша станет обеспечиваться уже другими ионами. Кроме того, необходимо отметить, что ха­рактер движения ионов в порах геля и вблизи них имеет много общего с характером движения ионов около острия электрода, и это дает возможность по нашему желанию повышать содержа­ние ионов одного знака в заданном участке объема геля. В част­ности, имея дело с водной основой геля и затормозив, например, ион ОН“, можно либо резко повысить в каком-то определенном объеме концентрацию этих ионов в порах геля и вблизи них, либо, наоборот, резко повысить в другом объеме концентрацию ионов Н+ и, буквально «забив» ими все поры геля, создать около пор изолирующую эти поры атмосферу положительных ионов. В результате можно получить относительно устойчивые «скопле­ния» ионов одного знака в локальных объемах геля.

После разделения этих временно связанных объемов в них окажется сосредоточенным объемный заряд какого-либо одного знака, а это при соединении разноименных объемов проводником приведет к последующему выравниванию зарядов, т. е. к появле­нию тока в проводнике, соединяющем эти объемы. Таким обра­зом, устройство для реализации подобной задачи приобретет все свойства гальванического элемента и позволит получить новый вид аккумуляторов — гелевый аккумулятор, а также даст в руки ис­следователей метод разделения ионов в жидкостях-гелях. Отме­тим, что хотя все гели обладают способностью более или менее быстро распадаться и терять свои первоначальные свойства, тем не менее подбором гелей и стабилизацией их свойств можно сохранить гели от распада в течение заданного времени.

Именно поэтому использование диэлектрических свойств, воз­никающих в импульсных полях, особенно интересно и перспективно применительно к гелям. Используя особенности гелей, представля­ется возможным управлять движением ионов у обоих электродов, добиваясь нужного эффекта.

Так, для создания импульсного конденсатора следует обеспе­чить высокую концентрацию положительных ионов Н+ у его рабочих поверхностей, затормозив движение отрицательных ионов ОН“ или удалив их как можно дальше от этих поверхностей [36]. При этом «облако» положительных ионов Н+, плотно окру­жившее заданный электрод (рабочую поверхность конденсатора), создаст вокруг нее идеальную непробиваемую «самоизоляцию».

Следует указать, что если торможением ионов в геле можно не допустить тот или иной ион к определенному электроду и тем

Самым создать возле него избыток или недостаток других ионов, то на этом возможности этого явления по существу и заканчи­ваются. Однако при специальном формировании конфигурации силовых линий электрического поля можно также добиться ряда положительных результатов, например, не допустить роста стри­меров в заданном направлении, исключить возможность опасной концентрации ионов любого знака в заданном объеме рабочей камеры и т. д‘. Все эти возможности следует использовать при проектировании различных типов электрогидравлических уст­ройств.

Поскольку условием возникновения и существования импульс­ных диэлектриков является наличие ионов, то не только жидкости, но при определенных условиях и. газы, и твердые тела (и даже плазма) могут становиться импульсными диэлектриками. Это об­стоятельство значительно расширяет возможности их применения.' Так, возможно создание как высоко-, так и низкотемпературных вакуумных и жидкостных устройств, работающих при обычных температурах. Кроме этого, используя указанные свойства гелей, можно создать устройства типа диодов, триодов и других много­электродных устройств с управляемыми электродами для исполь­зования их в радиотехнике и электронике. Однако наиболее пер­спективными, по нашему мнению, будут устройства, работающие на переходных или смешанных средах: твердо-жидких (типа геля, глины), жидкостно-газовых (типа пены) или твердо-газовых (типа пыли).

По нашим представлениям, электрические процессы, происхо­дящие в нервных клетках живых организмов, протекают с исполь­зованием принципов импульсной электрохимии и особенно прин­ципов работы импульсных диэлектриков. Для практического - использования импульсных диэлектриков необходимо также учитывать, что электрические потери в импульсных, диэлектриках определяют практическую ценность их как диэлектриков, обуслов­ливаются прежде всего электропроводностью их среды и умень­шаются вместе с уменьшением электропроводности.

Роль каждого вида ионов в импульсных диэлектриках строго определена и локальна. Одни из них, например ионы ОН~, опреде­ляют рост стримеров, например, при реализации сверхдлинного или реверсивного разряда. Другие, например ионы Н + , полезны для целей создания надежной изоляции от пробоя. В то же время ион Н+ определяет потери на проводимость в силу его высокой подвижности, и для уменьшения этих потерь необходимо всемерно уменьшать активную поверхность положительного электрода., сохраняя, однако, ионы и ионную проводимость, т. е. сохраняя потери, ибо без ионов, а следовательно, и без какой-то минималь­но необходимой ионной проводимости импульсные диэлектрики невозможны. Но, заменяя электропроводность одних - ионов электропроводностью других, можно свести эти потери к минимуму и получить необходимый результат.

Таким образом, уменьшение проводимости среды импульсного диэлектрика и ее сохранение на необходимом уровне может осуществляться различными способами: полным или частичным торможением содержащихся в среде ионов; исключением одного или нескольких ионов из общего процесса проводимости; созда­нием необходимой концентрации опеределенных ионов в заданной части рабочего объема. Наиболее рационально одновременное использование всех указанных способов.

Также необходимо учитывать, что потери на проводимость ока­зываются минимальными при импульсном приложении электриче­ского поля и, казалось бы, должны уменьшаться и далее — с умень­шением длительности импульса и увеличением его крутизны. Однако это не совсем так. Специфические свойства ионов за­ставляют предполагать, что, хотя потери и уменьшаются с увеличе­нием крутизны и уменьшением длительности импульса, но основ­ным фактором, определяющим потери в импульсных диэлектриках, будет параметр, характеризующий стабильность нарастания или спада крутизны фронта импульса, создавшего поле.

В частности, именно по этой причине проводимость жидкости для постоянного тока меньше, чем для переменного, так как потери на проводимость будут в нем меньше по сравнению с пе­ременным, где спад и нарастание поля крайне нестабильны. Подобно тому, как вибрация способствует быстрому уплотнению гравия в бетоне или быстрому прохождению любого материала сквозь сито при просеивании, так и отсутствие «монотонности» (стабильности) крутизны спада и нарастания переменного тока подобно вибратору способствует тому, что ионы значительно быст­рее «просеиваются» друг через друга при движении к электродам.

Отсюда следует, что потери будут оставаться стабильными до тех пор, пока будет. сохраняться стабильность нарастания или спада переменного тока, пока будет оставаться неизменной крутиз­на нарастания или спада фронта импульса, создавшего поле. Это вовсе не означает, что импульсный диэлектрик должен исполь­зоваться все это время. Напротив, стабильность состояния им­пульсного диэлектрика, обеспечивающая его идеальную работу в течение длительного времени, может сохраниться и также успешно использоваться в любой период этого времени.

Все изложенное позволяет рекомендовать обычную воду для практического использования ее в качестве материала импульсно­го диэлектрика в устройствах, питаемых импульсами длитель­ностью 10~4—10~3 с и короче [36, 41]. При этом потери будут уменьшаться с увеличением крутизны фронта импульса. Потери будут максимальными с приближением крутизны фронта к импуль­су практически нулевой амплитуды, а минимальными — с прибли­жением крутизны к импульсу бесконечно крутой амплитуды. Отсюда следует, что потери будут минимальными и на тех участ­ках кривой импульса, где нарастание или спад происходят линейно, без флуктуаций, и что в целях сохранения высоких качеств

Импульсного диэлектрика следует обеспечивать, кроме прочих, и это условие.

На рис. 2.21, а приведена схема импульса напряжения при работе на прямой полярности, на которой показаны те участки, где потери могут быть минимальными и где они вынужденно максимальны, а на рис. 2.21,6 — аналогичная схема для случая работы на обратной полярности для тех же параметров длины искры, напряжения и емкости. Из сопоставления этих двух схем следует, что при работе на одинаковых параметрах импульса, но на обратной полярности жидкость, как импульсный диэлектрик, «работает» более эффективно и экономично и оказывается способ­ной во много раз дольше сохранять свойства импульсного диэлект­рика, чем в случае работы устройств на прямой полярности.

Магнитное поле при реверсивном разряде имеет свои особен­ности. Из сравнения рис. 2.21, а и 2.21, 6 следует, что зависимости тока и напряжения реверсивного разряда и разряда при работе на прямой полярности совершенно различны и по форме кривых и по характеру нарастания и спада. Однако зависимости на рис. 2.21,6 соответствуют реверсивному разряду «в чистом виде», т. е. когда разряд возникает при максимально изолиро­ванном отрицательном электроде и очень сильно развитой актив­ной поверхности пластины положительного электрода. По мере увеличения площади отрицательного и уменьшения площади по^ ложительного электрода кривые тока и напряжения реверсивного разряда будут все более походить на кривые тока и напряжения разряда при работе на прямой полярности, приведенные на рис. 2.21, а.

Таким образом, и на реверсивном разряде работа всех уст­ройств, использующих импульсные диэлектрики, будет происхо­дить в условиях, когда вид и форма кривых тока и напряжения будут очень близки к их канонической форме при обычном разряде на прямой полярности.

Все вышеизложенное послужило основой для создания импульсных конденсаторов, кабелей, выпрямителей, вентилей, диодов, выключателей импульсных токов, принципиальные схемы которых были предложены еще в начале 50-х годов.