российская академия наук - Институт общей физики им. А.М
реклама
На правах рукописи Федоров Александр Николаевич ГИСТЕРЕЗИС И ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННЫХ ИОННЫХ ПРОВОДНИКАХ 01.04.07 – Физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва-2016 1 Работа выполнена в Научном центре волновых исследований ФГБУН Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук. Научный руководитель: доктор физико-математических наук Ошурко Вадим Борисович Официальные оппоненты: Фоминский Вячеслав Юрьевич, доктор физикоматематических наук, профессор, ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г.н.с. кафедры Физики твердого тела и наносистем НИЯУ «МИФИ». Алешин Юрий Константинович, кандидат физикоматематических наук, доцент, ФГБОУ ВО Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова, заместитель заведующего кафедры Фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ им. Ломоносова. Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. Защита состоится 25 апреля 2016 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 ФГБУН Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38, корпус 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБУН Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38, http://www.gpi.ru/ Автореферат разослан « » марта 2016 г. Ученый секретарь диссертационного совета Макаров Вячеслав Петрович тел. 8(499) 503-83-94 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Исследование физических механизмов известных процессов и обнаружение новых явлений в конденсированных средах является основной задачей физики конденсированных сред. В настоящей работе обнаружено новое явление сопротивления и появление отрицательного дифференциального гистерезиса вольт-амперной характеристики в пространственно-ограниченных слабых ионных проводниках, таких как парящий «водный мостик» и растворы в тонких трубках. Исследование физического механизма этих явлений представляет интерес с фундаментальной точки зрения. В практическом плане электрофизические характеристики водных растворов в последнее время активно изучаются в связи с возможностями управления химическими реакциями методами современной электроники (управляемые мембраны, рН- управляющие чипы и т.п.). Главной задачей при этом является проблема разделения ионов заданного сорта в растворе. Изучение процессов разделения ионов в условиях, когда наблюдается гистерезис и отрицательное дифференциальное сопротивление, очевидно, представляет практический интерес. Современное состояние проблемы. В настоящее время уже известны необычные электрофизические характеристики ионных проводников, в том числе гистерезисные, возникающие в микро- и нанопористых мембранах, используемых на практике в электрохимии для разделения ионов. При этом обычная интерпретация связывает эти явления с т.н. эффектом Вина – усилением диссоциации в сильных электрических полях. Однако, как оказывается, сильный гистерезис возникает и в условиях когда эффект Вина практически 3 исключен. Так, в последние годы большое внимание привлекло такое (давно известное) явление, как «парящий водный мостик», проявляющий ряд «аномальных» свойств. В таком мостике, как показано в настоящей работе, также имеет место гистерезис вольт-амперной характеристики и участок отрицательного дифференциального сопротивления, однако, эффект Вина невозможен и физический механизм этих явлений на сегодняшний день пока неясен. Правильное понимание механизмов физических процессов в таких пространственно-ограниченных ионных проводниках в настоящее время совершенно необходимо для практических приложений в электрохимии, химической электронике и т.п. Цели и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является выяснение физического механизма возникновения электрического гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления в пространственно-ограниченных ионных проводниках. Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи: (1) создание экспериментальной электрофизических характеристик дистиллированной воды в ионных виде установки для исследования проводников «водного мостика» на примере и других пространственно-ограниченных формах водного ионного проводника; (2) получение экспериментальных зависимостей вольт-амперных характеристик от геометрических и физических параметров эксперимента; (3) создание комбинационного экспериментальной (рамановского) установки рассеяния с - спектрометра пространственным разрешением, позволяющем по наблюдению формы полосы ОН-валентных колебаний анализировать пространственное (гидроксила и гидроксония) в эксперименте; 4 распределение ионов 4) получение экспериментальных результатов и анализ пространственного распределения ионов в эксперименте; (5) предложение физической модели, объясняющей наблюдаемые явления и экспериментальная проверка модели. Новизна полученных результатов. - Впервые обнаружено явление электрического гистерезиса, а также явление отрицательного дифференциального сопротивления при протекании ионного тока в дистиллированной воде по пространственно-ограниченной области (в трубке, в «водном мостике» и т.п.); ранее подобные явления наблюдались только в полупроводниках, некоторых диэлектриках и в плазме, но не в воде при невысоких (физиологических) температурах. - Впервые экспериментально показано методом пространственно - разрешенной спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния, что при протекании ионного тока в пространственно-ограниченной области дистиллированной воды («водном мостике» и т.п.) внешние слои воды имеют увеличенное содержание гидроксил-ионов, а внутренние увеличенное содержание ионов гидроксония (протонов). - Впервые предложен физический механизм появления гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления в пространственноограниченных ионных проводниках, основанный на возникновении положительной обратной связи между концентрацией ионов и температурой, которая увеличивается при протекании тока, вызывая увеличение концентрации ионов, снижение сопротивления и дальнейшее увеличение нагрева приводящего к шнурованию тока. 5 - Теоретическая и практическая значимость полученных результатов. - Экспериментальное обнаружение новых явлений - гистерезиса и отрицательного дифференциального электрического сопротивления в пространственно-ограниченных ионных проводниках имеет очевидное фундаментальное (теоретическое) значение для физики жидкостей, электрогидродинамики и электрохимии растворов; - Обнаруженная экспериментально неоднородность распределения ионов разных типов по сечению ионного проводника и явление шнурования тока должны учитываться при решении задач электрогидродинамики, электрохимии и др., что является, несомненно, важным результатом для этих областей. - Предложенный механизм гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления не только объясняет наблюдаемые процессы, но и может использоваться для предсказания новых явлений в подобных системах. - На основании выясненного механизма открывается возможность создания, например, оптическими (лазерными) методами пространственных проводящих каналов в жидкой среде для предпочтительного протекания ионов заданного сорта для задач электрохимии и химической электроники. Основные положения, выносимые на защиту: 1) На вольт-амперной характеристике ионных проводников, представляющих собой трубки дистиллированной воды (диаметром 1 - 5 мм и длиной 5 - 40 мм), при напряжениях 5 - 7 кВ возникает гистерезис, а также участки отрицательного дифференциального сопротивления. 6 2) При протекании ионного тока в простанственно-ограниченной области дистиллированной воды типа «водного мостика» радиальное распределение ионов H+(Н3О+) и ОН− в поперечном сечении неоднородно, имеет место повышенное содержание гидросксил-ионов в приповерхностных слоях, а гидроксония – в приосевом канале. 3) Физический механизм появления гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления в пространственно-ограниченных ионных проводниках обусловлен положительной обратной связью между концентрацией ионов и температурой, приводящей к шнурованию тока в таком ионном проводнике. Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Сформулированные в диссертационном исследовании положения, выводы и рекомендации обоснованы достаточным объёмом полученных экспериментальных результатов по электропроводности и спектроскопии жидких ионных проводников. Достоверность полученных результатов обеспечивается адекватностью и надежностью применявшихся экспериментальных методик, а также хорошим согласием с известными данными. Личный вклад автора. 1. Автором лично разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования электрофизических свойств ионных проводников, в т.ч. «водного мостика» и спектрометр комбинационного рассеяния с возможностью измерений пространственного распределения спектров рассеяния. 2. Автором измерения лично выполнены свойств электрофизические и пространственно-ограниченных проводников в рамках поставленных задач. 7 оптические ионных 3. Автором лично выполнен электрофизических характеристик и и анализ оптических эмиссионных и обобщение исследований спектров результатов вольт-амперных пространственно- ограниченных ионных проводников. 4. На основе полученных в результате экспериментов данных автором предложен механизм теплового пробоя и проверен в контрольных экспериментах. Апробация работы и публикации. Результаты работы опубликованы в трех печатных работах рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ: 1) В.Б. Ошурко, А.Н. Федоров, А.А. Ропяной, М.В. Федосов. Гистерезис и отрицательное дифференциальное сопротивление вольт-амперной характеристики «водного мостика»// Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 6. 2) В.Б.Ошурко, А.А.Ропяной, А.Н.Федоров, М.В.Федосов, Н.А.Шелаева Спектр ОН- валентных колебаний воды в «парящем водном мостике» // Журнал технической физики, 2012, том 82, выпуск 11, стр. 126. 3) Э.А.Маныкин, В.Б.Ошурко, А.Н.Федоров, О возможности образования конденсата возбужденных атомов в условиях газового разряда // Журнал технической физики, 2011, том 81, выпуск 3, стр. 5. Работа была апробирована на одной международной и двух российских научных конференциях: Конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO/LAT, 2013, June 18-22, Moscow, Russia); Научная сессия МИФИ, Москва, 2011; Конференция по фотонике и информационной оптике, МИФИ, Москва, 2016 8 в КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе работы приведён литературный обзор по теме исследований. Как видно практический интерес к из литературы, управлению существует значительный электрогидродинамическими процессами в растворах для решения задач разделения ионов и молекул, управления рН среды и т.п. в химической технологии и в биотехнологии. Вместе с тем, теоретическое описание таких процессов связано со сложной системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, решение которых чрезвычайно трудно. При этом физические механизмы многих явлений далеко не ясны. В последние годы наиболее многообещающим электрогидродинамическим явлением, имеющим большое число не до конца объясненных свойств, является «водный мостик». Очевидно, механизмы разделения ионов в «водном мостике» пока не изучались и представляют большой интерес. Во второй главе приводятся описание и некоторые метрологические характеристики разработанных и созданных экспериментальных установок. В соответствие с поставленной задачей изучения распределения ионов и токов в «водном мостике» и других ограниченных ионных проводниках были созданы две экспериментальные установки: Первая установка — электрофизическая экспериментальная установка для создания и измерения параметров «водного мостика». Установка включала в себя сосуды, наполняемые дистиллированной водой, систему электродов - для создания мостика и измерительных электродов, источник питания и системы измерений напряжений и токов на разных участках цепи. Приведены метрологические характеристики установки, включая вольтамперные характеристики источника на фиксированной нагрузке. Вторая установка — лазерный спектрометр комбинационного рассеяния с возможностью анализа пространственных распределений спектров рассеяния. Спектрометр разработан специально для экспериментов 9 по наблюдению распределений ионов в «водном мостике». В спектрометре рассеянное излучение от образца проходило через сфероцилиндрический конденсор, с помощью которого в плоскости щели монохроматора формировалось изображение пятна рассеянного излучения от «водного мостика», сфокусированное расфокусированное в в горизонтальной вертикальной. Из плоскости, монохроматора но изображение попадало в каскад из двух электронно-оптических преобразователей (ЭОП), расположенных последовательно. На выходе монохроматора отсутствовала щель и выходное изображение представляло собой картину, в которой по горизонтальной координате «отложена» длина волны излучения, по вертикальной — «точка испускания» на «водном мостике». Сравнительные измерения деформации ОН-колебательной полосы в спектрах комбинационного (рамановского) рассеяния от гидроксида натрия, соляной кислоты и хлорида натрия позволили выявить деформации полосы, характерные для ионов Н+ и ОН–. Это впоследствии может использоваться для анализа распределения этих ионов в водном мостике и других ионных проводниках. В третьей главе приведены основные экспериментальные результаты, полученные в работе. Самым ярким результатом оказалось наблюдение в случае «водного мостика» существенно нелинейной вольт-амперной характеристики, содержащей участки отрицательного дифференциального сопротивления. Более того, как оказалось, имеет место гистерезис вольтамперной характеристики при последовательном увеличении и уменьшении напряжения на мостике, подобно в работе [1]. Вольт-амперная характеристика «мостика». На Рис. 1 приведены «прямая» и «обратная» ветвь вольт-амперной характеристики мостика. Как можно видеть, на прямой ветви вплоть до величины ~ 7.0 кВ ток растет линейно с напряжением в соответствии с законом Ома. Однако при дальнейшем увеличении напряжения ток начинает нелинейно возрастать. Продолжая увеличивать напряжение, действительно наблюдается срыв 10 «водного мостика» и появление на его месте электрического газового разряда. «Обратная ветвь» вольт-амперной характеристики регистрировалась при снижении питающего напряжения от максимально достигнутого на участке еще до точки срыва «водного мостика» (рис.40). Как оказалось, «обратная ветвь ВАХ» имеет яркие особенности. При снижении питающего напряжения на электродах, вольт-амперная характеристика на участке вначале была близка к линейной. Тангенс угла наклона данного участка, как известно, определяет дифференциальное сопротивление, которое оказалось близким дифференциальному сопротивлению участка тех же напряжений «прямой ветви ВАХ». Однако, вопреки ожиданиям, в области токов и напряжений, характерных для точки образования «водного мостика» на прямой ветви, на обратной ветви разрушения «водного мостика» не происходило. При этом дифференциальное сопротивление в этой области становилось равным нулю, а при дальнейшем уменьшении питающего напряжения на электродах, переходило в область отрицательных значений. 11 Рис.1. Прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики «водного мостика». Сравнение прямой и обратной ветви на Рис.1 позволяет говорить о гистерезисе вольт-амперной характеристики «водного мостика». Нетрудно видеть, что характеристике на этом участке S-типа (т.е. можно такой, говорить когда о вольт-амперной каждому значению напряжения соответствует несколько значений тока). Распределение ионов в «водном мостике». В случае дистиллированной воды, как нетрудно понять, основными носителями зарядов являются ионы гидроксила OH– и протоны Н+ (или ионы гидроксония Н3О+). По оценкам, сделанным по измерениям исходного сопротивления (~ 1,0 Мом), в воде преобладает наличие «собственных» ионов. Распределение H+ и OH– ионов внутри (в объеме) каждого из сосудов с электродами известно из работ [2, 3] по измерению рН среды. Можно видеть, что это распределение оказывается обычным для процесса электролиза воды: в области отрицательного электрода (катода) рН>5 – более щелочная среда, избыток ионов ОН–; в области положительного (анода) – более кислая среда, избыток ионов Н+. Однако отсюда еще не ясно распределение ионов в самом «водном мостике». Очевидно, именно это представляет интерес для задач управления и разделения ионных потоков. 12 Рис. 2. Разностные спектры растворов и спектр дистиллированной воды (для сравнения). На рис. 2 представлены разностные спектры комбинационного рассеяния в полосе ОН-валентных колебаний молекул воды растворов соли, щелочи и кислоты (NaOH, NaCl, HCl в концентрации 0.25%) за вычетом спектра чистой воды. Естественно предполагать, что эта разница обусловлена в основном различием в структуре воды в гидратных оболочках вокруг ионов и окружающей воды. Как видно из рис. 2, существует принципиальная возможность различить сигнал воды при H+ и OH− по рамановскому спектру. Возможность пространственное спектрометра одновременно регистрировать (по одной координате) и спектральное (по второй) распределение рассеянного излучения позволяет получить отдельно спектры ОН полосы «оболочки» и «сердцевины» мостика. Были получены разностные рамановские спектры, отвечающие молекулам, находящимся преимущественно в сердцевине мостика и в оболочке, и только оболочке «водного мостика». Как оказалось, сигнал оболочки оказывается большим (на 5-7%) в высокочастотной части полосы и меньшим — в низкочастотной. 13 Для интерпретации этих различий на рис. 3 приведен пример разностного спектра воды в сердцевине «водного мостика» и разностные спектры, характерные для ионов OH− и H+. Рис. 4. Пример разностного спектра воды в сердцевине «водного мостика» (точки). Разностные спектры воды при ионах H+, OH− (линии). Статистический анализ положения максимума спектра сердцевины достаточно достоверно (85%) лежит в области характерной для ионов H+ . Это означает, что в сердцевине «водного мостика», по-видимому, превалируют ионы H+, тогда как в оболочке, вероятно, имеется большее количество ионов OH−. Добавим, что это не противоречит тому факту, что «водный мостик» притягивается к положительно заряженной стеклянной палочке [4], поскольку именно во внешней оболочке доминируют ионы OH− . Полученные данные о распределении ионов позволяют сделать выводы о протекающих токах. Поскольку имеется избыток ионов разного сорта в разных сосудах (подобно электролизу), следует полагать, что должен протекать поток ионов одного знака 14 в одном направлении, а противоположного в другом, причем в различных направлениях по сечению — в одном — в сердцевине, в обратном — в «оболочке» мостика. В четвёртой главе приводятся физическая модель гистерезиса ВАХ пространственно-ограниченного проводника и результаты контрольных экспериментов, проверяющих модель. Прежде всего, проведена оценка возможности механизма, связанного с эффектом Вина, который предполагался в работе [1]. Как известно, эффект Вина – диссоциация дипольной молекулы в сильном поле возникает при напряженности поля порядка ~10 МВ/см. Нетрудно оценить, что в нашем случае поле не превышает ~ 10 кВ/см. (Появление больших полей, связанное с перераспределением ионов также маловероятно из-за малой концентрации ионов). Таким образом, эффектом Вина в нашем случае можно пренебречь. Приведен анализ известной системы со сходной вольт-амперной (S– образной) характеристикой - динистора. Сделан вывод, что главный элемент физического механизма образования S–образной характеристики динистора – положительная обратная связь между током и обратным сопротивлением перехода. В твёрдых диэлектриках и полупроводниках хорошо известны явления электрического и теплового «пробоя». В обоих случаях пробоя положительная обратная связь образована тем обстоятельством, что с ростом тока растёт концентрация числа носителей тока и, в результате удельное сопротивление падает, вызывая рост тока. При электрическом пробое с ростом число носителей может расти по различным механизмам – химические реакции, графитизация, рост степени ионизации плазмы. Очевидно, что в нашем случае S-образная характеристика наблюдается тогда, когда еще нет образования плазмы и электрического пробоя. Более простой случай теплового пробоя наблюдается только в случаях, когда удельное сопротивление по каким-либо причинам снижается с увеличением тока. 15 Такой тип «пробоя» наблюдался в полупроводниках [5], но до сих пор не был зарегистрирован в воде и ионных проводниках. Построим простую модель такого механизма формирования S-образной ВАХ и гистерезиса в случае ионного проводника. Прежде всего, следует учесть только один фактор, очевидным образом, создающий положительную обратную связь в системе. Этот фактор - хорошо известная зависимость концентрации ионов Н+ и ОН– в дистиллированной воде от температуры [6]. Как следует из работы, концентрация ионов меняется почти на порядок с изменением температуры от 20ºС до 70ºС, которое характерно для наших экспериментов, практически по экспоненциальному закону. Ясно, что такой сильной зависимостью нельзя пренебречь. Тогда, с ростом температуры увеличивается число ионов - носителей заряда, далее, как следствие увеличивается ток, что вызывает рост температуры и т.д. Рассмотрим максимально упрощенную модель такой тепловой обратной связи. Вопервых, будем считать концентрации ионов Н+ и ОН– равными ( n = p ) и одинаково распределнными в пространстве. Тогда можно записать уравнение для полного тока (сумма ионных токов Н+ и ОН–) с учётом знака заряда иона ОН– «-e» и знака его подвижности « ». Считаем процесс стационарным (производные по времени равны нулю). Тогда получим для плотности тока следующее простое выражение: j= e ( )N ( T )E (1) где N (T ) - зависящая от температуры полная концентрация ионов обоих знаков, e - элементарный заряд. Для оценки температуры, входящей в это уравнение, используем уравнение теплопроводности: T = T (T T0 ) t (2) где - температуропроводность, - продукция тепла за счет протекания тока ( нагрев проводника) , - коэффициент отвода тепла к холодильнику 16 (т.е. в окружающую среду), T0 - температура холодильника (окружающей среды). Приток тепла Ф за счет электрического сопротивления может быть вычислен следующим образом. Полная мощность, выделяемая в некоторой точке проводника P = IU , где I и U -ток и падение напряжения в некоторой области dxdydz = dSdx проводника, причем здесь dx взято вдоль направления вектора тока j , dS - сечение в плоскости, перпендикулярной вектору тока. Тогда полная выделяемая мощность в окрестности этой точки есть P = IU = ( jdS )( Edx ) = jEdV . Если вся эта мощность трансформируется в тепло, то скорость продукции температуры за счет этого тепловыделения равна P = CpdV, где ρ – плотность вещества, Cp – теплоёмкость. Таким образом dV сокращается и получаем: = jE Cp (3) где в числителе, по сути, стоит скалярное произведение векторов плотности тока и напряженности поля. Теперь производные по времени и по пространству приравниваем к нулю, т.е. рассматриваем стационарный случай и считаем, что во всех точках одинаковая температура. Тогда уравнение упрощается до вида: (TT 0 0)= (4) где первое слагаемое описывает нагрев за счет протекания тока, а второе отток тепла через стенки, при этом определяется выражением (11). Отсюда легко получить выражение для температуры Т: T= T0 (5) Воспользуемся аппроксимацей экспериментальных данных вида зависимости полной концентрации ионов от температуры.: B N ( T )= Aexp kT 17 (6) co значениями A = 0.047 и B = 3.36 10 20 . При использовании таких значений констант совпадение с экспериментальной кривой оказывается не хуже 5 % . Тогда для плотности тока, или уже для тока j = I/d 2 (где d - диаметр проводника, т.е. «водного мостика» или трубки) окончательно получим алгебраическое трансцендентное уравнение: I B = e ( ) Aexp N E 2 IE 0 d T 2 C 0 p d (Здесь введена N 0 = 3.35 10 22 частиц/см3 - (15) максимальная суммарная концентрация ионов по данным [6 ].) Для получения численных результатов необходимо оценить величину , входящую в это уравнение. Исходя из данных термографии [7], можно полагать, что температура нагрева в стационарном режиме в наших условиях не превышает 60º - 80º С. Тогда, грубо получим = 1.9K/s . На Рис. 5 (нижняя кривая) приведен график зависимости тока от напряженности поля при значении всех констант, описанных выше и d = 0.01 см. Как можно видеть, при таких условиях имеет место явно выраженная S-образная вольт-амперная характеристика. Важнейшим отличием такого явления в нашем случае от наблюдавшихся ранее является уникально низкая температура (практически, физиологическая температура для биообъектов), при которой наблюдается такая вольт-амперная характеристика. Природу гистерезиса можно понять, только если учесть известное в физике полупроводников и в физике плазмы явление «шнурования тока». Как известно, в среде с положительной обратной связью «ток-концентрация носителей-ток» может наблюдаться шнурование тока. В самом деле, если в однородной среде возникает локальная неоднородность температуры, 18 например, за счет флуктуации и т.п., то именно здесь увеличится число носителей, возрастет температура и т.д. В итоге возникает канал с повышенной температурой и пониженным сопротивлением, играющий роль провода или «шнура» тока. Ясно, что в нашей модели это эквивалентно уменьшению эффективного диаметра проводника d . На рис. 5. приведены вольт- амперные характеристики для двух различных диаметров d1 = 0.3 и d2 = 0.01 cм. Как можно видеть, в случае проводника большего диаметра наблюдается линейная характеристика , близкая к закону Ома. По-видимому, в эксперименте, вначале, по мере роста напряжения и тока эффективным проводником является весь диаметр водного проводника (верхняя кривая на рисунке). Начиная с некоторой температуры, видимо, появляется эффект шнурования тока и эффективный диаметр «шнура» оказыватся значительно меньшим. В этом случае будет справедлива, как нетрудно понять, нижняя кривая на Рис. 5. Именно это фактически наблюдалось в экспериментах, описанных выше. Рис. 5. Модельная ВАХ «водного мостика» с различным эффективным диаметром, серая кривая - d1, чёрная кривая – d2, причём d1> d2 . 19 Разработанная выше модель и связанный с ней физический механизм был проверен в серии контрольных экспериментов. Подтверждением именно такой картины происходящих процессов может являться зависимость вольтамперной характеристики от диаметра трубки. Рис. 6. Прямая (непрерывная линия) и обратная ветвь (пунктирная линия) вольт-амперной характеристики стеклянной трубки диаметром d1 = 2 мм, заполненной водой. 20 Рис. 7. Прямая (непрерывная линия) и обратная (пунктирная) ветвь вольтамперной характеристики стеклянной трубки диаметром d2 = 4 мм, заполненной водой. Действительно, как показали эксперименты (рис.6 и рис.7) существует сильная зависимость вольт-амперной характеристики от диаметра трубки. Нетрудно видеть, что характер экспериментальной кривой для трубки диаметром 2 мм (на рис. 6) качественно совпадает с известной кривой ВАХ шнурования тока. Рост диаметра трубки приводит ко все меньшей нелинейности вольт-амперной характеристики. Более того, проводник – трубка с диаметром более 10 мм вообще не обнаруживал гистерезиса ВАХ. Итак, резюмируя, можно заключить, что эффект нелинейной вольтамперной характеристики с гистерезисом и отрицательным дифференциальным сопротивлением в «водном мостике» и водных трубках обусловлен существованием положительной обратной связи между протекающим током, температурой и концентрацией ионов. Гистерезис характеристики, по-видимому, обусловлен известным явлением шнурования 21 тока, протекающим в нашем случае в условиях уникально невысоких температур и малых токов. ВЫВОДЫ РАБОТЫ: 1. Экспериментально обнаружена сложная нелинейная вольт-амперная характеристика «водного мостика», содержащая участки гистерезиса в диапазоне измеряемых токов (при токах от 0,3 мА до 6,5 мА и напряжениях от 11000 В до 19000 В) и участки отрицательного дифференциального сопротивления (при токах от 0,3 мА до 1,1 мА и напряжениях от 12000 В до 19000 В). 2. Обнаружено, что спектры комбинационного рассеяния на OH-валентных колебаниях воды в «водном мостике» в области 3000 – 3400 см-1 отдельно для «сердцевины» и «оболочки» «водного мостика» отличаются огибающей ОН-полосы, так что около «оси» мостика вероятно содержится больше ионов H+, в то время как в приповерхностном слое - больше ионов OH−. 3. Разработана отрицательного модель наблюдавшимся дифференциального явлениям сопротивления, гистерезиса основанные и на положительной обратной связи между током и концентрации носителей заряда. Построена математическая модель явления (тепловой пробой), которая, с учетом «шнурования» тока хорошо описывает экспериментальные результаты. 4. Модель теплового пробоя со шнурованием тока подтверждена в контрольных экспериментах с трубками различного диаметра. Показано, что наблюдающиеся в водном мостике гистерезис и отрицательное дифференциальное сопротивление характерны для любого пространственноограниченного ионного проводника, при формировании положительной обратной связи между током, температурой и концентрацией носителей заряда. 22 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. D. T. Conroy, R. V. Craster, O. K. Matar, L.-J. Cheng, and H.-C. Chang, Nonequilibrium hysteresis and Wien effect water dissociation at a bipolar membrane, Phys.Rev. E 86, 056104 (2012). 2. 2. J.Woisetschläger, K.Gatterer, E.C. Fuchs, «Experiments in a floating water bridge» , Experiments in Fluids. 48(1):121-131. 3. Elmar C. Fuchs; Luewton L. F. Agostinho; Mathias Eisenhut; Jakob Woisetschläger, «Mass and charge transfer within a floating water bridge.» , Laser Applications in Life Sciences, 73761E (25 November 2010). 4. Fuchs E.C. The Inner Structure of a Foating Water Bridge. , Invited presentation at NASA SETI. California, USA, 28th of October 2009. 5. Волков А. Ф., Коган Ш. M., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, УФН, 1968, т. 96, в. 4, с. 633. 6. T.S. Light, S. Licht, A. C. Bevilacqua, and K. R. Morash”The Fundamental Conductivity and Resistivity of Water”, Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (1) E16-E19 (2005) 7. www.anl.gov ( Argonne National Laboratory, USA, 2012). 23
