Гетерогенные среды в электрическом поле: свойства и процессы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Фазовые переходы и понижение порога электрического пробоя парогазовых смесей.

1.1. Краткий обзор работ, посвященных фазовым переходам в электрическом поле.

1.2. Термодинамика фазовых переходов в электрическом поле.

1.2.1. Условия фазового равновесия во внешнем электрическом поле.

1.2.2. Влияние электрического поля на размеры критического зародыша.

13, Влияние конденсированной дисперсной фазы на пробой газовых сред.

1.3.1. Критерий электрического пробоя в неоднородном поле.

1.3.2. Влияние сконденсировавшегося пара на пробой.

1.4. Обсуждение результатов.

Глава 2. Волны ионизации в экранированных разрядных трубках.

2.1. Качественное описание.

2.2. Волны ионизации в чистых газах.

2.2.1. Приближенная модель.

2.2.2. Попытки обобщения модели.

2.3. Волны ионизации в пылевых средах.

2.4. Выводы.

Глава 3. Образование упорядоченных структур в термической пылевой плазме.

3.1. Введение.

3.2. Энергия взаимодействия пылевых частиц.

3.2.1. Распределение электрического потенциала.

3 .2.2. Энергия взаимодействия.

3.3. Свойства пылевого кристалла.

3.3.1. Полная энергия взаимодействия пылевых частиц.

3 .3 .2. Термодинамика пылевых кристаллов.

3.4. Плавление пылевого кристалла.

3.4.1. Уравнение Власова.

3 .4.2. Критерий плавления.

3.4.3. Фазовая диаграмма пылевого кристалла.

3.5. Обобщение модели.

В данной диссертационной работе излагаются результаты теоретических исследований, относящихся к некоторым аспектам физики газового разряда в средах, содержащих макроскопические включения.

В первой главе предложен возможный механизм влияния конденсации в сильном электрическом поле на развитие электрического пробоя во влажных средах. Показано, что при определенных условиях электрическое поле может заметно понижать порог конденсации, а образовавшиеся капли - порог пробоя получившейся таким образом гетерогенной среды.

Во второй главе получено аналитическое решение задачи о распространении так называемых высокоскоростных волн ионизации - волн пробоя в специальных разрядных трубках. Результаты обобщены на случай присутствия в газе конденсированной дисперсной фазы, в том числе эмитирующей; однако приближенный характер модели потребовал в качестве одного из обоснований детальное сравнение с экспериментальными данными, поэтому большинство вычислительных результатов приводится для чистых газов, для которых имеется необходимая опытная информация.

Наконец, в третьей главе построена модель плазменно-пылевого кристалла - упорядоченной структуры макрочастиц в плазме газового разряда. Полученное решение справедливо для слабо заряженных пылевых частиц в термической плазме; результатом теории служат аналитические выражения для

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены физические процессы, имеющие место в плазме газового разряда в средах с конденсированной дисперсной фазой. Исследованы три задачи, составляющие определенную последовательность: возникновение в среде макроскопических включений (капель) в условиях сильных электрических полей и их влияние на критерий электрического пробоя; распространение в подобной среде субсветовых волн ионизации; образование в плазме упорядоченных структур макрочастиц.

Первая глава призвана объяснить явление понижения порога в средах с макровключениями, а также прояснить некоторые вопросы, касающиеся теории фазовых переходов в электрическом поле. Её результаты позволяют сформулировать критерий электрического пробоя для сред с макрочастицами, оценить возможность влияния электрических полей на конденсацию паров воды и могут иметь практическое значение при изучении процессов в атмосфере.

Во второй главе излагается теоретическая модель высокоскоростных волн ионизации как в чистых газах, так и в запыленных средах. Получены аналитические формулы для всех основных параметров ВВИ: амплитуды напряженности поля, скорости, проводимости во фронте и за ним. Результаты, относящиеся к высокоскоростным волн ионизации в чистых газах, совпадают с экспериментальными в пределах погрешности опыта; при этом надо отметить, что для расчетов использовалось только самое первое и грубое приближение, с допущением о постоянстве частоты ионизации во фронте волны. Решение, однако, может быть обобщено на случай произвольных зависимостей

1. Болога A.M. Разработка и исследование электрораспылителей с эффективным диспергированием и зарядкой жидкости: Дис. . канд. техн. наук. ML: МЭИ, 1989. 130 с.

2. Леонтович М.А. Введение в термодинамику. Статистическая физика. М.: Наука, 1983. 416 с.

3. М. С. Zaghdoudi, S. Cioulachtjian, J. Bonjour, M. Lallelmand Analysis of Hysteresis and Polarity Influence in Nucleate Pool Boiling under DC Electric Field// Eurotherm. Siminar №48: Pool Boiling 2; Paderborn, Germany, 1996, pp. 247 254.

4. Сивухин Д.В. Курс общей физики. Том 2: Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

5. Болога М.К., Смирнов Г.В., Дидковский А.Б., Климов С.М. Теплообмен при кипении и конденсации в электрическом поле. Киев: Штиница, 1987. 240 с.

6. Долинский Ю. JL, Яворовский Н. А. Влияние сильных полей на фазовый переход 1 рода// ЖТФ, 1990, т. 60, №7, с. 22 27.

7. Юман М. Молния. М.: Мир, 1972. 328 с.

8. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: ГИ Технико-теоретической литературы, 1953. 680 с.

9. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963.

10. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 376 с.

11. П.Григорьев А.И., Синкевич О. А. О возможном механизме возникновения огней св. Эльма//ЖТФ, 1984, т. 54, №7, с. 1276 1283.

12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 с.

13. Райст П. Аэрозоли. М.: Мир, 1987. 342 с.

14. Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев А.А., Филюгин И.В. Высокоскоростные волны ионизации при электрическом пробое// УФН, 1994, т. 164, №3, с. 263 286.

15. Асиновский Э.И., Василяк Л.М., Марковец В.В. Волновой пробой газовых промежутков// ТВТ, 1983, т. 21, №2, с. 371 384; №3, с. 577 -590.

16. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М.: Изд. МФТИ, 1997. 320 с.

17. Мик Дж., Крэгс Дж: Электрический пробой газов. М.: Изд. ИЛ, 1960. 606 с.

18. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Прорастание стримерного канала: поле и плотность плазмы за волной ионизации, начальные электроны перед нею// ТВТ, 1997, т. 35, №2, с. 181 186.

19. Дьяконов М.И., Качоровский В.Ю. К теории стримерного разряда в полупроводниках// ЖЭТФ, 1988, т. 94, №5, с. 321 332.

20. Дьяконов М.И., Качоровский В.Ю. О стримерном разряде в однородном поле//ЖЭТФ, 1989, т. 95, №5, с. 1850 1859.

21. Дьяконов М.И., Качоровский В.Ю. Стационарное распространение стримера в электроотрицательном газе// ЖЭТФ, 1990, т. 98, № 3(9), с. 895 907.

22. Швейгерт В.А. Волна ионизации при стримерном пробое газа. Диффузионно-дрейфовое приближение// ТВТ, 1990, т. 28, №6, с. 1056 -1063.

23. Асиновский Э.И., Василяк Л.М., Марковец В.В., Токунов Ю.М. Существование минимума коэффициента затухания у ионизующих волн градиента потенциала// ДАН СССР, 1982, т. 263, №6, с. 1364 -1366.

24. Славин Б.Б., Сопин П.И. Волновой пробой в длинных газонаполненных трубках с предварительной ионизацией// ТВТ, 1990, т. 28, №2, с. 243 250.

25. Александров Н.Л., Базелян А.Э., Базелян Э.М., Кочетов И В. Моделирование длинных стримеров в газе атмосферного давления// Физика плазмы, 1995, т. 21, №1, с. 60 80.

26. Ивановский А.В. О стримерном пробое воздуха в однородном электрическом поле// ЖТФ, 1996, т. 66, №8, с. 59 72.

27. Dhali S., Williams P.F. Two-dimensional studies of streamers in gases// J. Appl. Phys., 1987, v. 62, №12, pp. 4696-4707.

28. Wu C., Kunhardt E.E. Formation and propagation of streamers in N2 and N2-SF6 mixtures// Phys. Rev. A, 1988, v. 37, №11, pp. 4396 4406.

29. Wang M.C., Kunhardt E.E. Streamer dinamics// Phys. Rev. A, 1990, v. 42, №4, pp. 2366 2373.

30. Kulikovsky A. A. The structure of streamers in N2// J. Phys. D.: Appl. Phys., 1994, v. 27, №6, pp. 2556-2569.

31. Fernsler R.F. General model for streamer propagation// Phys. Fluids, 1984, v. 27, №4, pp. 1005- 1012.

32. Синкевич О.А., Трофимов Ю.В. О механизме распространения волны пробоя по слабоионизованной плазме в наносекундных разрядах// ДАН СССР, 1979, т. 249, №3, с. 597 600.

33. Синкевич О.А., Трофимов Ю.В. Теория вторичных волн пробоя// Проблемы физики и техники наносекундных разрядов. М.: ИВТАН, 1982, с. 55-74.

34. Лагарьков А.Н., Руткевич И М. Ионизующие волны пространственного заряда// ДАН СССР, 1979, т. 249, №3, с. 593 596.

35. Лагарьков А.Н., Руткевич И.М. Теоретическое исследование волн ионизации в разрядных трубках// Проблемы физики и техники наносекундных разрядов. М.: ИВТАН, 1982, с. 75 105.

36. Лагарьков АН, Руткевич И.М. Волны электрического пробоя в ограниченной плазме. М.: Наука, 1989. 208 е.; Lagar'kov A. N., Rutkevich I. М. Ionizing waves in electrical breakdown of gases. New York: Springer, 1994.

37. Ландау Л.Д., Лифшиц Е М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. 664 с.

38. Трофимов Ю.В. Волны ионизации при вторичном пробое в газах: Дис. . канд. физ.-мат. наук. М.: МЭИ, 1981. 151 с.

39. Василяк Л.М. Электрический пробой длинных промежутков при лазерном инициировании и динамика волн ионизации: Дис. . доктора физ.-мат. наук. М.: МФТИ, ИВТАН, 1995. 195 с.

40. Аршинов А.А., Мусин А.К. Термоэмиссия электронов с углеродных частиц// ДАН СССР, 1958, т. 118, №3, с. 461 463.

41. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы и облака// УФН, 1997, т. 167, №1 с. 57-99.

42. Slattery W.L., Doolen G.D., DeWitt Н.Е. Improved equation of state for the classical one-component plasma// Phys. Rev. A, 1980, v. 21, №6, c. 2087 -2095.

43. Ichimaru S. Strongly coupled plasmas: high-density classical plasmas and degenerate electron liquids// Rev. Mod. Phys., 1982, v. 54, № 5, p. 1017 -1043.

44. Robbins M.O., Kremer K., Grest G.S. Phase diagram and dynamics of Yukawa systems// J. Chem. Phys., 1988, v. 88, №5, pp. 3286 3312.

45. Meijer E.J., Frenkel D. Melting line of Yukawa system by computer simulation// J. Chem. Phys., 1991, v. 94, №3, pp. 2269 2271.

46. Нефедов А.П., Петров О.Ф., Храпак С. А. Потенциал электростатического взаимодействия в термической плазме с макрочастицами// Физика плазмы, 1998, т. 24, №11, с. 951- 955.

47. Schram P.P.J.M., Trigger S.A. То the theory of colloidal plasmas// Contrib. Plasma Phys., 1997, v. 37, №2-3, pp. 251 264.

48. Allanyarov E.A., Podloubny L.I., Schram P.PJ.M., Trigger S.A. Over screening in colloidal systems: the attractive branch of pair macroion interaction//Physica A, 1995, v. 220, № 2-3, pp. 349-356.

49. Яковленко С.И. О дебаевском взаимодействии заряженных пылинок. Дебаевская квазимолекула// Письма в ЖТФ, 1999, т. 25, №16, с. 83-89.

50. Игнатов A.M. простейшая модель плазменно-пылевого облака// Физика плазмы, 1998, т. 24, №8, с. 731 -737.

51. Ignatov A.M. Interaction of grains in dusty plasmas// J. Phys. IV France,1997, v. 7, №4, pp. 215-223.

52. Takahashi K., Oishi Т., Shimomai K., Hayashi Y., Nishino S. Analysis of attractive forces between particles in Coulomb crystal of dusty plasmas by optical manipulations// Phys. Rev. E, 1998, v. 58, №6, pp. 7805 7811.

53. Фортов BE., Филинов B.C., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А., Липаев А.М. Формирование упорядоченных структур в классической термической плазме: эксперимент и компьютерное моделирование// ЖЭТФ, 1997, т. 111, №3, с. 889-902.

54. Thomas Н., Morfill G.E., Demmel V,, Goree J., Feuerbacher В., Molmann D. Plasma Crystal: Coulomb Crystallization in a Dusty Plasma// Phys. Rev. Lett., 1994, v. 73, №5, pp. 652 655.

55. Lipaev A.M., Molotkov V.I., Nefedov A.P., Petrov O.F., Torchinskii V.M., Fortov V.E., Khrapak A.G., Khrapak S.A. Ordered structures in a nonideal dusty glow-discharge plasma// JETP, 1997, v. 85, №6, pp. 1110 1118.

56. Melzer A., Homann A., Piel A. Experimental investigation of the melting transition of the plasma crystal// Phys. Rev. E, 1996, v. 53, №3, pp. 27572766.

57. Mohideen U., Rahman H.U., Smith M.A., Rosenberg M., Mendis D.A. Intergrain coupling in dusty-plasma Coulomb crystals// Phys. Rev. Lett.,1998, v. 81, №2, pp. 349-352.

58. Нефедов А.П., Храпак А.Г., Храпак С.А., Петров О.Ф., Самарян А.А. Аномально высокая кинетическая энергия заряженных макрочастиц в плазме// ЖЭТФ, 1997, т. 112, №2(8), с. 499 506.

59. ЛифшицЕ.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 528 с.

60. Левич В.Г. Курс теоретической физики. Том 1. М.: Наука, 1969. 912 с.

61. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Статистическая физика. Часть 2. М.: Наука, 1978. 448 с.

62. Ансельм А.И. Основы статистической физики и термодинамики. М.: Наука, 1973. 424 с.

63. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров ОФ., Храпак С.А. Роль стохастических флуктуаций заряда макрочастиц в пылевой плазме// ЖЭТФ, 1999, т. 115, №6, с. 2067 2079.

64. Фортов В.Е., Якубов И.Т. Неидеальная плазма. М.: Энергоатомиздат, 1994. 368 с.

65. Силин В.П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Наука, 1971. 332 с.

66. Эккер Г. Теория полностью ионизованной плазмы. М.: Мир, 1974. 432 с.

67. Эйнштейн А. О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты// в сб. «Альберт Эйнштейн. Собрание научных трудов», т. 3. М.: Наука, 1966. 632 с.

68. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. 792 с.

69. Власов А.А. Статистические функции распределения. М.: Наука, 1966. 356 с.

70. Терлецкий Я.П. Статистическая физика. М.: Высшая школа, 1994. 350с.

71. Зильберглейт А.С., Скорняков Г.В. Преобразование тепла в работу с помощью потенциальных систем// ЖТФ, 1992, т. 62, №2, с. 190 195.

72. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964. 568 с.

73. Блейкмор Дж. Физика твердого тела. М.: Мир, 1988. 608 с.

74. Александров А.Ф., Рухадзе А.А. К истории основополагающих работ по кинетической теории плазмы// Физика плазмы, 1997, т. 23, №5, с. 474 480.

75. Боголюбов Н.Н. Проблемы динамической теории в статистической физике// в кн. «Н.Н. Боголюбов. Избранные труды по статистической физике». М.: Изд. МГУ, 1979. 344 с.

76. Кингсеп А.С. Введение в нелинейную физику плазмы. М.: Изд. МФТИ, 1996. 208 с.

77. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. Том 2. М: Янус-К, 1999. 440 с.

78. Власов А.А. О вибрационных свойствах электронного газа// ЖЭТФ, 1938, т. 8, №3, с. 291 -308.

79. Власов А.А. Нелокальная статистическая механика. М.: Наука, 1978. 264 с.

80. Майоров С.А. Парная корреляционная функция в пылевой плазме// Докл. на сессии РАН «Исследования неидеальной плазмы», Москва, 1999.

81. Fortov V.E, Nefedov А.Р., Petrov O.F., Samarian A. A., Chernyschev A.V., Lipaev A.M. Experimental observation of Coulomb ordered structure inspray of thermal dusty plasmas// Письма в ЖЭТФ, 1996, т. 63, №3, с. 176 180.

82. Chernyshev A.V., Fortov V.E., Nefedov A.P., Petrov O.F. Observation of ordered structure in thermal dusty plasmas// Proc. ХХШ ICPIG, 1997, Toulouse, France; v. 1, pp. 176 177.

83. Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Фазовые переходы и понижения порога электрического пробоя в средах с конденсированной дисперсной фазой// ТВТ, т. 36 (1998), №3, с. 357-361.

84. Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Влияние фазовых переходов на пробой газовых сред// труды IX конференции по физике газового разряда, Рязань, 1998, т. 1, с. 41-42.

85. Sinkevich О.A., Gerasimov D.N. Super high-speed ionizing waves in long shielded tubes// Proc. XXXIII Int. Conf. On Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, 1997, v. V, pp. 20-21.

86. Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Влияние конденсированной дисперсной фазы на развитие волн электрического пробоя// труды конф. «Плазма XX век», Петрозаводск, 1998, т. 1, с. 335-338.

87. Герасимов Д.Н., Синкевич О. А. Высокоскоростные волны ионизации в экранированных разрядных трубках (автомодельные режимы)// «Физика плазмы», т. 25 (1999), с. 376-383.

88. Gerasimov D.N., Sinkevich О. A. Propagation of super-high speed ionizing waves in gases with dispersed condensed phase// Proc. Of Xlllth Symposium on Physics of Switching Arc, Brno, 1998, pp. 127-130.