Рис. 5 Модельная ВАХ «водного мостика» с различным эффективным диаметром, серая кривая - d1, чёрная кривая - d2, причём d1> d2
Разработанная выше модель и связанный с ней физический механизм был проверен в серии контрольных экспериментов. Подтверждением именно такой картины происходящих процессов может являться зависимость вольт-амперной 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
Рис. 7 Прямая (непрерывная линия) и обратная (пунктирная) ветвь вольт-амперной 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 вольт-амперной 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 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 модель наблюдавшимся явлениям гистерезиса и отрицательного дифференциального сопротивления, основанные 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 пространственно-ограниченного ионного проводника, при формировании положительной обратной связи между током, температурой и концентрацией носителей заряда.
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.Woisetschlдger, 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 Woisetschlдger, «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).