напряженностью поля, причем Е может быть E{t); j - плотность полного тока; вЕ - ток сквозной проводимости; qV - ток конвекции; d{eE)/dt - ток смещения; q - объемная плотность распределения свободных электрических зарядов.

Принято считать, что электрогидродинамические эффекты в водных электролитах ограничены областью диффузной части двойного слоя бдв и существенны лишь для низких концентраций электролита, так как Ьдъс-/к Выполненные в разные периоды времени экспериментальные исследования [54, 122, 136, 180, 181], а также наши количественные оценки позволяют полагать, что аналогичные явления в водных электролитах не только могут иметь место, но при этом вследствие относительно высокой проводимости н особой структуры водных электролитов они возникают при значительно меньших значениях напряженности электрического поля, чем в непроводящих жидкостях, что обусловлено следующим:

1. На жидкость в постоянном электрическом поле £=70, VE фО [см. /эгл по (2.22)] действуют два типа электрических сил: кулоновские и поляризационные. В водном электролите из-за явлений электростатической индукции в проводящей среде в ближайшем к электроду пограничном слое возникает объемный заряд плотностью Роз, ИНД, состоящий из ионов противоположного знака, а в удаленной области жидкости - того же знака. Протяженность и объемная плотность такого заряда определяются концентрацией ионов, геометрией электрода, его расстоянием от поверхности электролита, площадью этой поверхности. Поэтому, в отличие от электрокинетических эффектов, высокая проводимость не препятствует, а наоборот, способствует увеличению fara-

2. Возникающее в области межфазных границ воздух-электролит дополнительное электрическое поле, обусловленное роз= = Роз, ДВ + роз, ИНД, приводит К снижснию коэффициснта поверхностного натяжения ос и в конечном счете к потере устойчивости поверхности.

3. Под действием неоднородных электрических полей вследствие различия диэлектрических постоянных при vEфQ возникают силы, обусловленные различием V е. Для границы вода-воздух V е максимально.

Таким образом, хотя в водных средах электрическая проводимость соответственно на 5-10 порядков выше, однако в них проявляются эффекты изменения суммарных сил и существенную роль начинают играть эффекты электростатической индукции. В этом случае в капле или струе в электрическом поле вследствие высокой проводимости возникают дополнительные индуцированные электрические заряды, приводящие к увеличению q в пограничных слоях жидкость-воздух. Поэтому наиболее значимые эффекты ЭГД-природы в водных электролитах происходят не в объеме, а в области межфазных границ, но вследствие потери гидродинамической устойчивости этих границ ЭГД-эффекты проявляются во всем макрообъеме жидкости.

Проводящая капля в электрическом поле. Под действием сильного электрического поля на поверхности капли возникает характерное перераспределение давлений, которое деформирует ее, вызывает потерю устойчивости и распад.

Рассмотрим сначала поведение жидкости при ее истечении из вертикального металлического капилляра на поверхность другого электрода, т. е. систему игла-плоскость [36]. На капилляр и находящуюся в нем жидкость подают отрицательный потенциал от источника высокого напряжения, а нижний электрод - плоскость заземляют, измеряя ток разряда капель на поверхности микроамперметром.

Рис. 2.7. Схема расположения капли, находящейся на одной из внутренних обкладок конденсатора по [36].

в - угол между нормалью к поверхности капли и осью г.

Для вывода количественных соотношений рассмотрим каплю, находящуюся на одной из внутренних обкладок конденсатора и имеющую форму полуэллипсоида вращения. При этом принимаем, что второй электрод также плоский, так что v£ = 0 (рис. 2.7).

Будем считать каплю проводящей, так как капля имеет предельный заряд, выше которого она распадается. Действующие на каплю силы электрического поля Рэгд, г в направлении оси z и веса рк стремятся оторвать каплю от плоскости и направлены противоположно силе поверхностного натяжения F . Отрыв капли происходит, если

Рэгд.г + Рк>Ра. (2.23)

Здесь рк=0,66яр§а& - вес капли (р - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, а и Ь - соответственно большая и малая полуоси эллипсоида вращения). У основания капли Ра=2яа6, тогда

Рэгд, г - \ Евн, 20 5,

(2.24)

где Евн г - напряженность поля вдоль оси, создаваемая внешним источником; оо- поверхностная плотность заряда капли.

Нарушение устойчивости поверхности жидкости в точке А (см. рис. 2.7) имеет место при

Рэгд + Рг>Ра (2.25)

где рэга -давление в точке А, обусловленное силами электрического поля; Рг - гидростатическое давление столба жидкости в точке А; Ра - давление в точке А, обусловленное силами поверхностного натяжения.

Если условие (2.23) выполняется раньше, чем условие (2.25), то происходит отрыв крупной капли. Если же (2.25) выполняется раньше, чем (2.23), то происходит образование тонкой струи жидкости из конца капли. Эффект диспергирования капель зависит от проводимости жидкости.

Аналогичные явления имеют место и при разбрызгивании струй как диэлектрической, так и проводящей жидкости в электрических полях.

Рис. 2.8. Экспериментальная установка для исследования влияния электрического поля на струю воды.

J - сосуд для создания напора воды; 2 - термометр; 3 - заборная трубка; 4 -источник высокого напряжения; 5 - резиновая трубка; 6 - штатив; 7 - изолируюш.ее крепление электрода к штативу; 8 - зажим для перекрывания воды; 9 - сборник воды; 10 - сопло; И - нижний электрод; 12 - верхний электрод.

Ло - высота струн до точки распада, hi - полная высота струи, dc - максимальный диаметр распыления струи. Яд - иапор.

в этом случае также существенное значение при определении как размера капель, так и объемной области разбрызгивания имеют такие факторы, как расстояние между электродами, радиус капилляра го, длина капилляра в поле /к, скорость истечения жидкости, поверхностное натяжение и другие параметры.

Если разбрызгивание струй и капель диэлектрических жидкостей нашло уже широкое применение в технологии, то вопросы электрического диспергирования воды и ее растворов в электрических полях изучены еще недостаточно, хотя им посвящен ряд исследований [3, 11, 36, 44, 102, 122, 136, 175, 180, 181]. Приведем результаты некоторых экспериментальных исследований для струй и капель воды.

Струи. Схема опыта, конструкция электродов и установки, электрическая схема приведены на рис. 2.8-2.10. Перед автотрансформатором включался стабилизатор напряжения. Струя воды создавалась в электрическом поле между дисками диаметром 135 мм, толщиной 1,5 мм, покрытых медной фольгой толщиной 0,3 мм.