ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ И ЖИДКИМ ЭЛЕКТРОЛИТНЫМ КАТОДОМ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТОКАХ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Тазмеев Б.Х.

gpa@kampi.kcn.ru

Камский политехнический институт

ВВЕДЕНИЕ. Высоковольтные электрические разряды между металлическим анодом и жидким электролитным катодом обладают рядом технологических возможностей. Например, они позволяют получить оксидные порошки [1]. В работе [2] показана возможность использования таких электрических разрядов для изменения химического состава жидкостей. В основном, исследования проведены в области малых токов (в пределах от несколько десятков до несколько сот миллиампер) при мощности разряда до одного киловатта. Целью данной работы является исследование характеристик разряда при больших токах и мощностях.

ЭКСПЕРИМЕНТ. В качестве анода были использованы медные и стальные стержни диаметром d от 5 до 30 мм с различной геометрической формой рабочего торца. Катодом служили сильно разбавленные растворы NaCl, NaHCO и CuSO в технической воде и сама техническая вода. Ток менялся от 0,3 до 3,0 А. Разряд зажигался и поддерживался при межэлектродных расстояниях от 1 до 15 мм. Разряд горел при атмосферном давлении. Максимальная мощность разряда достигала до 4,5 кВт.

Для каждого анода при каждом новом значении межэлектродного расстояния параметры разряда определялись со свежим электролитом (объём 18*10 м). При этом первоначальная температура электролита была одинаковой во всех опытах.

ФЕНОМЕНОЛОГИЯ. Подробное внешнее описание разряда при малых токах приводится в [3]. При малых и токах менее 1 А разряд имеет многоканальную структуру с диффузными электродными пятнами как это имело место в условиях работы [3]. Различие во внешнем виде появляется когда межэлектродное расстояние превышает 5 мм. В этом случае внутри объёма разряда наблюдаются ярко-белые контрагированные каналы, опирающиеся на анод. Количество каналов зависит от формы и размеров анода, а также от тока. При повышении тока эти каналы удлиняются в сторону катода. В случае медного остроконечного анода каналы образуют пучок около острия. Они непрерывно меняют своё положение и со стороны катода не имеют чёткой границы. Когда катодом служит техническая вода вокруг этих каналов видны сферические образования, движение и изменение размеров которых напоминает бурное пузырьковое кипение жидкости. Эти сферы прозрачные. В центральной части разряда они молочно-белого цвета, а в периферии разряда имеют жёлто-красную поверхность, причём здесь их размеры намного больше, чем в центре разряда. С увеличением тока “пузырьковая” область расширяется. C внешней стороны эта область окружена жёлто-красным пламенем, размеры которой тоже возрастают при повышении тока. Когда катодом служат растворы солей разрядная область интенсивно светится и “пузырьки” еле заметны. Контрагированные каналы пробиваются до электролита и издаётся треск.

В случае неохлаждаемого анода он быстро нагревается. Сначала контрагированные каналы появляются на острых кромках. При дальнейшем нагревании анода они располагаются по всей площади рабочего торца анода и беспорядочно перемещаются. При этом одни исчезают, другие появляются заново.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. Вольтамперные характеристики разряда в исследованном диапазоне токов являются слабовозрастающими. На рисунке 1 изображены вольтамперные характеристики разряда между медным анодом и технической водой. Следует отметить, что для рассматриваемого случая при меньших токах в работах [3,4] получены качественно иные, а именно, падающие вольтамперные характеристики. При малых межэлектродных расстояниях (до 5 мм) вольтамперная характеристика разряда практически не зависит от формы и размеров анода. Как видно из рис. 1, когда ток равен 1 А разброс значений напряжения при изменении диаметра медного анода от 5 до 30 мм не превышает 80 В, что составляет около 8 % от номинального значения. Причём такой же разброс значений напряжения получается при повторных зажиганиях разряда с одним и тем же анодом. От формы анода зависит быстрота повышения напряжения при увеличении . В случае остроконечного анода при увеличении напряжение разряда растёт слабее. По-видимому, это является результатом влияния контрагированных каналов на проводимость разрядного промежутка. Таким образом, параметры разряда зависят от его структуры.

ВЫВОДЫ. При повышенных токах структура и параметры высоковольтного разряда с жидким катодом существенным образом зависят от расстояния между электродами. При < 5 мм разряд имеет однородную структуру, состоящую из множества микроканалов. При > 5 мм в структуре разряда появляются контрагированные каналы и объём разряда существенно уменьшается.

Рис. 1. Вольтамперные характеристики разряда. - [3], d=5 мм, =5 мм; - [4], d=5 мм, =5 мм; - [4], d=5 мм, =10 мм; - d=5 мм, =5 мм; - d=25 мм, =5 мм; - d=30 мм, : 1-5, 2-10, 3-15 мм; - d=25 мм (остроконечный), =5 мм.

Валиев Р.А., Гайсин Ф.М., Шакиров Ю.И. Влияние характеристик разряда на интенсивность образования и дисперсность порошка. //Электронная обработка материалов, 1991. N3. - с. 32-34.
Морозова Н.К., Галимова Р.К. и др. ЯМР - исследования жидкостей, обработанных парогазовым разрядом // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань, 1997, N4. С. 224-228.
Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объёмный разряд в парогазовой среде между твёрдым и жидким электродами. - М.: Изд-во ВЗПИ, 1990, 92 с.
Гайсин Ф.М., Гиззатуллина Ф.А., Камалов Р.Р. Энергетические характеристики разряда в атмосфере между электролитами и медным анодом // Физика и химия обработки материалов. 1985, N4, с.58-64.