На рис.1 представлена принципиальная схема постановки экспериментов. На рис.1, а приведена электрическая схема, состоящая из заряжаемого до необходимого напряжения U конденсатора С = 2 100 мкФ, механического коммутатора К и шунта R, к которому подключался цифровой осциллограф TDS 210 (Tektronix, 8 бит) с последующей записью сигналов на персональный компьютер. В экспериментах осуществлялась теневая киносъемка с использованием цифровой камеры (SensiCam Fast Shutter, PCO, Kelheim, Германия). Теневая фотосъемка проводилась с использованием той же камеры с помощью ксеноновой лампы ИСШ-400 (длительность вспышки 1 мкс). Использовались водные растворы поваренной соли с концентрацией 1 20 %. Испытыва-лись три схемы концентраторов тока:

1) с диафрагмами (рис.1, а);

2) с металлическими электродами на диэлектрической стенке (рис.1, б);

3) с удлиненными изолированными металлическими электродами с токопроводящим срезом на торце (рис.1, в). Свечение регистрировалось с помощью ФЭУ-35 (спектральный диапазон 300 600 нм).

Результаты экспериментов. В качестве примера на рис.2 представлена одна из осциллограмм тока (луч 1) и светового излучения (луч 2) для одиночного удлиненного

Работа выполнена в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 123 при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 03-02-17682) и гранта Германской службы академических обменов (DAAD) на приобретение научного оборудования.

Рис.1. Принципиальная схема постановки экспериментов: о - с токовыми концентраторами в виде отверстий в диэлектрической пленке; б - с металлическими токовыми концентраторами, выходящими на поверхность диэлектрика; в - с удлиненными металлическими токовыми концентраторами; 1, 2 - металлические электроды, 3 - диэлектрик, 4 - кювета с электролитом, С - конденсатор, К - коммутатор, R - шунт для регистрации тока I на осциллографе, d - диаметр концентратора, D - расстояние между концентраторами, L - расстояние между электродами, l - размер удлиненной части металлического концентратора электрода (l = 10 мм, d = 0,35 мм), на рис.3 - соответствующая фазовая диаграмма для тока.

Представленный пример токовых осциллограмм и их фазовых характеристик свидетельствует о том, что мы имеем дело с затухающим автоколебательным процессом. Затухание происходит за счет падения напряжения на конденсаторе, что указывает на устойчивость автоколебательного процесса в определенном интервале напряжений для заданных диаметров концентраторов тока.

Для выявления механизма развития и динамики автоколебательных процессов на токовых концентраторах осуществлялась теневая фотосъемка совместно с регистрацией тока I. При этом момент фотосъемки контролировался на втором луче осциллографа сигналом от импульса лампы подсветки. Отметим, что при совместной регистрации тока и свечения пики свечения соответствуют стадии падения тока на каждом цикле (см. рис.2).

На рис.4 представлены отдельные кадры теневой съемки для основных стадий электрогидродинамических процессов, происходящих на торце одного ряда стальных электродов со средним диаметром d = 0,4 мм (число электродов N = 32), залитых в эпоксидную смолу, и соответствующие токовые осциллограммы (луч 1) с метками момента фотосъемки (луч 2). Исследования были выполнены с диафрагменными концентраторами из лавсана (d = 0,4 0,5 мм, N = 1,2, 100), с медными и стальными концентраторами (d = 0,2 0,7 мм, N = 1, 3, 32). Автоколебательные процессы исследованы в интервале напряжений до 400 В.

Из данных экспериментов следует, что генерируемые электрическим током пузырьки при расширении являются прерывателями тока, а при схлопывании - коммутаторами тока. Этот процесс обеспечивает автоколебательный режим рассматриваемой системы.

Рис.2 Рис.3

Рис.2. Осциллограммы тока (1) и светового излучения (2)

Рис.3. Фазовый портрет тока

Рис.4. Кадры теневой съемки образования пузырьков для стальных электродов (d = 0,4 мм, N = 32), залитых с эпоксидную смолу, и соответствующие токовые осциллограммы (1) с метками момента фотосъемки (2)

Размеры и динамика пузырьков зависят от среднего удельного тока i ~ N^-1I/d² [А/мм²] или удельной мощности р ~ iU [кВт/мм²] на каждом концентраторе, которые в свою очередь зависят от параметров устройства d, D, L, проводимости электролита и напряжения между электродами 1 и 2 (см. рис.1). По аналогии с работой [8] рассмотрен вопрос о пределах существования автоколебательных режимов. Отметим, что нижний предел (порог) определяется рядом параметров: удельной энергией фазового перехода используемого электролита, напряжением, металлом и площадью концентратора, учет которых в целом можно свести к одному параметру i или р. Например, для одной диафрагмы (d = 0,4 мм) в 20 % -м растворе в среднем порог автоколебаний составлял р_р да 200 Вт/мм². Верхний предел существования автоколебаний определяется исчезновением автоколебаний тока, происходит смена механизма разряда. Для множественных концентраторов ограничение происходит также за счет коалесценции соседних пузырьков и определяется вводом энергии в пузырек: q_r = (4/3) R³Р₀ (R - радиус пузырька; P₀ - гидростатическое давление в жидкости), которая не должна превышать Q_r = (1/6) D³P₀.

Рис.5. Зависимость средних значений периодов колебаний тока Т от средней площади S для двух концентраторов ток

а

Рис.6. Нормированные фурье-спектры для токовых осциллограмм: 1 - один электрод (f₀ = 16 кГц); 2 - три электрода (f₀ = 13 кГц)

Выявлено, что для различных диаметров электродов d_n при прочих равных условиях интегрально развиваются автоколебательные процессы с биениями. Это обусловлено тем, что для различных площадей концентраторов уже на начальной стадии закладывается разность фаз в виде разности задержек зажигания разрядов. При этом пузырьки образуются с различными начальными скоростями роста и с различными максимальными размерами. Разброс по площадям концентраторов предопределяет частотные характеристики тока. При уменьшении дисперсии по размерам концентраторов и превышении вводимой энергии выше пороговых значений р_р биения уменьшаются.

Анализ осциллографических измерений тока, светового излучения и фотосъемки показал, что электрогидродинамический автоколебательный процесс на каждом токовом концентраторе состоит из следующих основных стадий:

1) токовый нагрев жидкости с фазовым переходом;

2) рост пузырька;

3) перекрытие концентратора пузырьком с падением тока;

4) формирование плазмы внутри пузырька;

5) коллапс пузырька с увеличением тока. Эти стадии повторяются циклично с периодом (частотой), зависящим от напряжения, проводимости электролита и геометрических размеров концентраторов тока: диаметра d или площади S. На рис.5 представлены экспериментальные результаты измерений среднего значения периодов колебаний тока в зависимости от площади концентратора.

На рис.6 представлены спектрограммы для регистрируемых амплитуд осцилляции тока А в зависимости от числа генерируемых "осцилляторов", которыми являются пузырьки. Из представленных осциллограмм и спектрограмм следует, что с увеличением числа излучателей спектр уширяется. Это обусловлено неидеальностью изготовления многоочаговых излучателей.

Выводы