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
Федоров Александр Николаевич
Москва 2016
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 физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г.н.с. кафедры Физики твердого тела и наносистем НИЯУ «МИФИ».
Алешин Юрий Константинович, кандидат физико-математических 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
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 - появление отрицательного дифференциального сопротивления и 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 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. электрофизический ионный проводник вода
Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи:
(1) создание экспериментальной установки для исследования электрофизических характеристик ионных проводников на примере дистиллированной воды в виде «водного мостика» и других пространственно-ограниченных формах водного ионного проводника;
(2) получение экспериментальных зависимостей вольт-амперных характеристик от геометрических и физических параметров эксперимента;
(3) создание экспериментальной установки - спектрометра комбинационного (рамановского) рассеяния с пространственным разрешением, позволяющем по наблюдению формы полосы ОН-валентных колебаний анализировать пространственное распределение ионов (гидроксила и гидроксония) в эксперименте;
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 пространственно-ограниченных 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.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
- Экспериментальное обнаружение новых явлений - электрического гистерезиса и отрицательного дифференциального 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.
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.
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.
Автором лично выполнены электрофизические и оптические измерения свойств пространственно-ограниченных ионных проводников в рамках поставленных задач.
Автором лично выполнен анализ и обобщение результатов электрофизических и оптических исследований вольт-амперных характеристик и эмиссионных спектров пространственно-ограниченных ионных проводников.
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 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:
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.
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.
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
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе работы приведён литературный обзор по теме исследований. Как видно из литературы, существует значительный практический интерес к управлению 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 вольт-амперные характеристики источника на фиксированной нагрузке.