Лако-красочные материалы — производство

Электрические свойства частиц в системах с газообразной дис­персионной средой значительно отличаются от электрических свойств этих частиц в системах с жидкой средой. Это связано, главным образом, с большим различием диэлектрических свойств и плотностей жидких и газообразных сред. Электриче­ские свойства лиозолей и суспензий в отличие от свойств аэро­золей находятся в равновесии с остальными свойствами систе­мы. Как правило, в лиозолях и суспензиях такое равновесие устанавливается очень быстро, и частицы одной природы при­обретают одйи и тот же равновесный электрический потенциал, характерный для данной межфазной границы, и одинаковое со­стояние двойных электрических слоев.

Несмотря на то, что электролитическая диссоциация в газо­вой среде практически отсутствует, частицы в аэрозолях тем не менее имеют электрические заряды. Они приобретают их при

Столкновении друг с другом или с какой-либо поверхностью, а также в результате адсорбции газовых ионов, образующихся при ионизации газов, например космическими, ультрафиолето­выми, радиоактивными лучами. Так как электрическое равнове­сие в аэрозолях устанавливается очень медленно, то распреде­ление зарядов между частицами является чисто случайным. Частицы одной природы и одинакового размера могут иметь раз­ные заряды, отличающиеся даже по знаку. В обычных условиях газовых ионов очень мало и частицы аэрозоля сталкиваются с ними редко (одно столкновение за период от нескольких секунд до нескольких мннут). При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может уве­личиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы в аэрозолях постоянно изменяется.

При отсутствии специфической адсорбции на поверхности частиц аэрозолей (т. е. при условии одинаковой адсорбируемости положительных и отрицательных ионов) величины их зарядов бу­дут колебаться около среднего нейтрального значения, так как вероятности встречи с положительными и отрицательными ио­нами одинаковы. Таким образом, электрические свойства частиц аэрозолей отражают тепловое движение ионов, частиц, и их можно характеризовать с помощью статистических законов. На­пример, вероятность приобретения частицей какого-либо заряда определяется выражением Эйнштейна для вероятности флук — туаций:

W ~ ехр (—a/kbt) (IV.85)

Где А — работа, необходимая для осуществления флуктуации.

Эксперименты и расчеты показывают, что заряды частиц аэрозолей при отсутствии специфической адсорбции очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не бо­лее чем в 10 раз. Именно поэтому де Бройлю и Милликену удалось установить дискретный характер заряда частиц.

Специфическая адсорбция газовых ионов на частицах аэро­золей значительно осложняет оценку зарядов частиц. Такая ад­сорбция характерна для частиц, имеющих химическое сродство к газовым ионам, или для систем, В которых электрический по­тенциал на межфазной границе возникает еще при их образо­вании. Межфазный потенциал может возникнуть при условии резко выраженного различия полярных свойств среды и дисперс­ной фазы. Примером могут служить аэрозоли воды и снега; ориентация молекул воды на поверхности частиц по оценке А. Н. Фрумкина обусловливает электрический потенциал около 0,25 В. Электрический заряд на частицах может появиться и в процессе диспергирования полярных веществ, когда частицы, от­рываясь, захватывают заряд с поверхности макротела (балло — электризация). Химическое сродство частиц к иоиам и возник-
ший потенциал на межфазной границе приводят к тому, что час­тицы аэрозоля неодинаково адсорбируют противоположно заря­женные ионы, и средний их заряд в системе отличен от нуля. Опытным путем установлено, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно приобретают отрицательный заряд, а не­металлы и их оксиды заряжаются, как правило, положительно.

Заряженные частицы аэрозоля движутся в электрическом поле. Если не принимать во внимание силу тяжести и считать, что частица движется вдоль электрического поля, то, когда частица приобретает постоянную скорость движения, электри­ческая сила будет равна силе трения:

Eq=Bu (IV.86)

Где Е — напряженность поля; Q — заряд частицы.

При соблюдении закона Стокса скорость движения частицы равна

(IV.87)

При учете гравитационного поля, направление которого проти­воположно электрическому полю, скорость движения частицы выражается уравнением:

Mg — Eq

(IV.88),

Где т — масса частицы.

Важным отличием аэрозолей от жидких дисперсных систем является отсутствие электронейтральности системы в целом. Суспензии, эмульсии, лиозоли в макроколичествах не имеют за­ряда, в них соблюдается закон электронейтральности. Аэрозоль даже в больших количествах может обладать значительным ста­тическим зарядом, а седиментация приводит к его неравномер­ному распределению в системе, что создает серьезные трудности при рассмотрении закономерностей изменения свойств аэрозо­лей. Однако оценочные расчеты, например, напряженности элек­трического поля в облаках, можно провести с помощью простых соотношений.

В облаках постоянно изменяется дисперсность капель воды, вследствие чего происходит седиментационное разделение частиц по размеру н соответ­ственно по электрическому заряду. В результате нижний слой облака при­обретает отрицательный заряд, а верхний слой остается положительно за­ряженным. Напряженность возникающего электрического поля можно оце­нить, принимая, что при седиментации устанавливается стационарное состояние, когда конвективный ток, обусловленный переносом зарядов падаю­щими каплями, компенсируется током проводимости в газе, протекающим в противоположном направлении (обусловленным возникающим градиентом потенциала), т. е.

»к=£„ (IV.89)

Конвективный ток и ток проводимости определяются соответственно вы­ражениями

U^Qxu (IV.90); 1п = ке UV.91)

Где к—удельная электропроводность аэрозоля.

Принимая во внимание выражение из электростатики, связывающее за­ряд Q и потенциал ф для сферической частицы, имеем:

Q=<Pr (IV.92)

(как видно, при одном и том же потенциале, например 0,25 В, заряд ча­стицы пропорционален ее радиусу).

Подставляя выражение (IV.88) в (IV.90) и учитывая (IV.89), получим:

Ф rv(mg — <ргЕ)

■■хЕ

Блцг

Е_______ И___________________________ HV 93)

6juix + vnp2 (IV. УЗ)

Полученное уравнение позволяет оценить напряженность электрического поля, возникающего в облаках, если известен электрический потенциал на поверхности капли. Принимая <р=0,25 В, ц=1,7-10-5 Па с, х = 4-10~4 с-1, радиус капель г=10~5 м (т = 4,2-10~1г кг), при влагосодержании облака vm=10~3 кг/м3 получим 20 кВ/м (200 В/см). Это значение по порядку близко к наблюдаемому. Расчет Е сильно осложняется рядом факторов, действующих в реальных условиях, например седиментация может усили­ваться конвекцией, вызываемой ветром или нисходящими потоками воздуха. Напряженность в этом случае достигает очень больших значений (Е> >30 кВ/м), приводящих к грозовым явлениям.