Электроконвекция жидких диэлектриков

Электрическим полем можно привести жидкость в движение, как в изотермическом случае (в отсутствие нагрева), так и при неоднородном нагреве. Такие движения называют электроконвекцией. Меняя амплитуду и частоту электрического поля можно изменить значение разности температуры, при которой возникает тепловая конвекция, благодаря действию специфических электроконвективных механизмов неустойчивости, связанных с различными способами образования электрического заряда в жидкости.

Электрический заряд, образовавшийся с помощью некоторого механизма зарядообразования, взаимодействует с внешним электрическим полем, в результате возникает электрическая сила притяжения или отталкивания. Заряженная жидкость будет притягиваться или отталкиваться по отношению к соответствующим электродам. Это может привести к возникновению движения жидкости (электроконвекции) даже в невесомости, когда тепловая конвекция отсутствует. Переменное электрическое поле может вызвать магнитное поле, которое, благодаря магнитным свойствам жидкости, может оказать влияние на движение. Магнитными эффектами можно пренебречь, если электропроводность жидкости очень мала, и в ней возможно существование достаточно сильных электрических полей. Электроконвективные движения наблюдаются в жидкостях, которые на практике считаются изоляторами (трансформаторное масло, бензол, фреон, дихлорэтан, керосин и другие).

Жидкие диэлектрики представляют собой обширный класс жидкостей, обладающих настолько различными физико-химическими свойствами, что невозможно дать их общую исчерпывающую характеристику. Традиционно жидкости изучаются физическими и химическими методами. В химической литературе жидкие диэлектрики называют слабыми электролитами, а диссоциационные (расщепление молекул на ионы) и рекомбинационные (соединение ионов в молекулу) процессы – химическими реакциями. Физические и химические методы изучения жидкостей имеют цель описать закономерности электропроводности жидких диэлектриков и их электрических свойств в широком диапазоне напряжённостей электрических полей.

В физической литературе принято выделять области низких (до ~ 1 кВ/см), средних (1 – 40 кВ/см) и высоких (> 40 кВ/см) полей. В низковольтной области вольт-амперная характеристика (ВАХ) всегда линейная, что объясняют неполной диссоциацией растворённых солей, так называемых ионных пар А+В-, и равновесным характером обратимой реакции диссоциация ионных пар – рекомбинация свободных ионов. После линейного участка ВАХ следует нелинейный.

Движение в диэлектрических жидкостях при наличии в них электрических полей было обнаружено и исследовано ещё Майклом Фарадеем. В конце XIX – в начале XX столетий были начаты исследования свойств и движений диэлектриков. В последующие годы пытались выяснить причины и механизмы изотермической электроконвекции. После выяснения роли неоднородностей среды в электрогидродинамических явлениях основное внимание стало уделяться вопросам электротермической конвекции. Начиная с 60-х годов XX века, в результате поисков магнитогидродинамических аналогов в области электричества, возникло новое направление в физике – электрогидродинамика (ЭГД). Основоположником ЭГД в нашей стране принято считать Г. А. Остроумова.

Было выполнено много теоретических и экспериментальных работ, посвященных изотермической и тепловой электроконвекции. Однако вплоть до настоящего времени объяснение возникновения и эволюции ЭГД течений и нелинейной электропроводности жидких диэлектриков носит дискуссионный характер. Это обстоятельство обусловлено тем, что в средних и сильных полях генерация зарядов осуществляется одновременно многими механизмами.

Рассмотрим вкратце основные механизмы зарядообразования. Эти механизмы порождают заряд, который взаимодействует с внешним электрическим полем, в результате чего может возникнуть неустойчивость жидкости. Каждому механизму зарядообразования соответствует свой механизм неустойчивости.

К ним относятся диэлектрофоретический механизм (заряд возникает в жидкости благодаря зависимости диэлектрической проницаемости от температуры), электрокондуктивный механизм (в этом случае заряд образуется вследствие зависимости электропроводимости жидкости от температуры), диссоциационно-рекомбинационный механизм (связан с диссоциационным распадом ионных пар и ионных комплексов, присутствующих в диэлектрике) и инжекционный механизм (заряд генерируется на границе жидкость – электрод в результате холодной эмиссии или электрохимических окислительно-восстановительных реакций).  Первые два механизма вызывают электротермическую конвекцию.

Диэлектрофоретический механизм зарядообразования вызван неоднородностью поляризации жидкости, которая возникает, например, в неоднородно нагретом диэлектрике. Вследствие этого диэлектрическая проницаемость линейно зависит от температуры – с ростом температуры она уменьшается. В неоднородно нагретом диэлектрике в разных частях диэлектрическая проницаемость различна, поэтому возникает градиент диэлектрической проницаемости и, следовательно, диэлектрофоретическая сила, действующая на жидкость. Под действием этой силы жидкость может прийти в движение.

Второй механизм зарядообразования, электрокондуктивный, связан с неодинаковой электропроводностью жидкости вблизи горячего и  холодного электродов. Электропроводность линейно зависит от температуры – с ростом температуры она растёт. В результате возникает электрокондуктивная сила. Под действием этой силы жидкость начинает двигаться. Линейная зависимость электропроводности реализуется при небольших значениях разности температур на границах слоя (например, до 10 град). Этот механизм возможен в различных маслах – трансформаторном, конденсаторном, кукурузном.

Инжекционный механизм зарядообразования обусловлен электрохимическими реакциями в приэлектродных областях. Благодаря этим процессам в приграничных областях появляются заряды одноименного знака с зарядом электродов. При автономной инжекции плотность инжектируемого заряда на катоде – постоянная величина.
Различают униполярную инжекцию, при которой заряд образуется только у одного электрода, и биполярную инжекцию, когда заряд инжектируется от двух электродов. В полярных диэлектриках катодная инжекция, как правило, интенсивнее анодной, и происходит в сильных полях (> 10 кВ/см), когда основная часть ионов образуется за счёт окислительно-восстановительных электродных реакций.

Процесс такой инжекции можно представить следующим образом. Нейтральная молекула, подходя к металлической поверхности, содержащей либо избыток электронов (катод), либо их недостаток (анод), захватывает электрон (на катоде) или отдаёт его (на аноде), становясь ионом того же знака, что и поверхность электрода. Образующиеся в таком процессе ионы отталкиваются от одноимённо заряженной поверхности – происходит впрыскивание ионов в жидкость.

Диссоциационно-рекомбинационный механизм зарядообразования, при котором объёмный заряд в жидкости образуется в результате диссоциации примесей, как правило, сопутствует инжекционному механизму. Посредством добавления в жидкость различных примесей, можно управлять инжекционной проводимостью, при этом можно снизить интенсивность электрохимического разложения молекул несущей жидкости на электродах. Другой интересный способ управления проводимостью основан на использовании ионно-обменных мембран. В частности, покрывая один из электродов, например катод, катионитовой мембраной, можно добиться сильной униполярной инжекции ионов в полярный диэлектрик типа нитробензол или пиролин.

Влияние структуры поверхности электрода особенно заметно проявляется в сильных полях (> 100 кВ/см), когда имеет место холодная эмиссия электронов с катода. Оказывается, что в этом случае электроны эмитируются в основном с микронеоднородностей, типичные размеры которых даже на тщательно отполированных электродах (алюминиевых или стальных) достигают ~ 1 мкм, а поверхностная плотность микронеоднородностей имеет порядок 108 1/см^2. Изучение закономерностей высоковольтной электропроводности при доминирующей роли холодной эмиссии электронов с микроостриёв (так называемых эктонов) в настоящее время определило целое направление в высоковольтной электрофизике.

Существуют также другие причины возникновения объёмного заряда в жидкости. Заряд в жидкости может образоваться в результате ионизации от излучения. А жидкость может прийти в движение по другим причинам: в быстропеременных полях могут возникнуть вихри жидкости благодаря частому изменению ориентации диполей; при наличии градиентов напряжённости поля и диэлектрической проницаемости жидкости может возникнуть электрострикционная сила. 

Поведение гидродинамических систем в постоянном и переменном электрическом поле имеет ряд особенностей. Воздействие на жидкость может приводить либо к подавлению конвективных движений, либо к их возбуждению, либо к переходу от одного типа движения к другому. Резонансные явления, связанные с резким понижением порога конвекции, а также резкое усиление или ослабление интенсивности электроконвективных движений возможны при определённом соотношении между амплитудой и частотой внешнего электрического поля. Этим можно обеспечить эффективный способ контроля электроконвекции в различных технологических приложениях.

В технике применяются ЭГД преобразователи энергии, в которых реализуется процесс непосредственного преобразования энергии электрического поля в кинетическую или внутреннюю энергию рабочего вещества.