УДК 537.9
Энергия межфазного электрического взаимодействия твердой и жидкой компонентов электрически активных дисперсных систем
, ,
Иркутский государственный университет, кафедра общей физики
Тел.: 8(3952)242198
E-mail: borisov. *****@***ru
В последнее время большое внимание уделяется исследованию электрически активных конденсированных систем, которые представляют собой диэлектрическую полярную матрицу, содержащую твердые частицы с высокоразвитой заряженной поверхностью [1-4]. Главной особенностью таких дисперсных систем является наличие межфазного электрического взаимодействия в зоне контакта поверхности твердой фазы и полярной жидкой компоненты. В ряде экспериментальных работ [2,4] установлено, что результатом этого взаимодействия является формирование двойного электрического слоя на межфазных границах рассматриваемой системы, а также локальное изменение структуры жидкой матрицы и генерация электрической энергии в объеме этого слоя. Оценка величины генерируемой системой энергии и вклада межфазного взаимодействия в электрофизические свойства данной системы представляют значительный теоретический и практический интерес.
В работе проведен теоретический расчет внутренней электрической энергии, сконцентрированной в объеме двойных электрических слоев электрически активных дисперсных систем матричного типа.
Предположим, что система состоит из сферических частиц одинакового радиуса 
, которые распределены некоторым образом в полярной жидкой матрице и характеризуются концентрацией 
. Полная внутренняя энергия единицы объема системы, очевидно, равна 
, где 
– электрическая энергия, локализованная в объеме двойного электрического слоя каждой частицы. Эта энергия складывается из потенциальной энергии всех ионов жидкой фазы и полярных молекул жидкости во внутреннем электрическом поле:
(1)
Вклад ионов жидкой среды 
в энергию межфазного взаимодействия вычисляется в соответствии с выражением:
, (2)
где 
– толщина двойного электрического слоя, 
– суммарная объемная плотность заряда ионов в жидкости, 
– поверхностная плотность заряда твердой фазы, 
– потенциал внутреннего электрического поля на расстоянии 
от поверхности рассматриваемой частицы.
Потенциальная электрическая энергия молекулярных диполей 
, формирующих кластеризованную структуру в объеме ДЭС, равна:
, (3)
где 
– площадь поверхности каждой частицы, 
– постоянная Лошмидта жидкости, 
– средняя проекция дипольного момента молекулы жидкости на направление внутреннего электрического поля рассматриваемой системы, 
– напряженность внутреннего электрического поля.
В хорошем приближении можно считать, что потенциал и напряженность внутреннего электрического поля уменьшаются по экспоненциальному закону при удалении от поверхности частицы [1,3]:
, (4)
где 
и 
– потенциал и напряженность внутреннего поля вблизи поверхности частицы, 
– дебаевский радиус экранирования этого поля свободными ионами жидкой среды.
Вблизи заряженной поверхности твердой фазы происходит вырождение дипольно-ориентационной поляризации молекул жидкости и уменьшение ее диэлектрической проницаемости до 
в связи с упорядочением молекул под действием внутреннего электрического поля [1,4]. При удалении от твердой поверхности упорядоченная структура жидкой матрицы постепенно разрушается под действием теплового движения и ее локальная диэлектрическая проницаемость 
монотонно возрастает от до значения 
, соответствующего объемному состоянию жидкости:
, (5)
где и – диэлектрические проницаемости наиболее упорядоченного и объемного слоёв жидкости соответственно, 
– собственный дипольный момент молекул жидкой фазы, 
– температура исследуемой системы.
В результате теоретических расчетов с использованием соотношений (2-5) получены выражения для суммарной потенциальной энергии межфазных ионов и молекулярных диполей в двойном электрическом слое каждой частицы:
(6)
, (7)
где 
– безразмерный параметр, характеризующий электрическую активность изучаемой системы; величина 
отражает дисперсию диэлектрической поляризации жидкой фазы.
Величина полной электрической энергии 
, накопленной в объеме ДЭС всех твердых частиц, составляет:
(8)
Коэффициент 
в правой части (8) связан с объемной долей 
и величиной удельной поверхности 
электрически активных частиц: 
. Поскольку 
, где 
– величина адсорбции жидкой компоненты, ионный и дипольный вклады в межфазную электрическую энергию системы записываются:
(9)
(10)
Из выражений (9) и (10) следует, что варьирование максимальной напряженности внутреннего электрического поля и величины удельной поверхности частиц твердой фазы, а также степени полярности и концентрации жидкой компоненты приводит к изменению электрической энергии , генерируемой в зоне контакта твердой и жидкой компонентов вследствие их межфазного взаимодействия. Таким образом, теоретически обоснована возможность управления интенсивностью межфазного электрического взаимодействия и величиной внутренней электрической энергии в изучаемых композиционных системах.
Проведем численную оценку порядка величины для электрически активной дисперсной системы, содержащей мелкоразмерные частицы слюды и адсорбированную водную компоненту [2,4]. Будем считать, что величина адсорбции не превышает нескольких процентов, что соответствует 
. Средний размер частиц в такой системе составляет несколько микрометров, что соответствует величине удельной поверхности порядка 
. Дебаевский радиус экранирования электрического поля поверхности частицы слюды может достигать нескольких десятков нанометров, а максимальная напряженность этого поля составляет 
[1]. Известно также, что для связанной воды 
и для объемной 
, а также 
при температуре T=293 K. В связи с этим, параметр электрической активности рассматриваемой микрокомпозитной системы равен 
.
Ионный и дипольный вклады в энергию межфазного взаимодействия (в единице объема системы) с учетом значений всех параметров определяются согласно выражениям (9) и (10):
(11)
(12)
Таким образом, в зоне контакта активной твердой и полярной жидкой компонентов дисперсных гетерогенных систем происходит генерация внутренней электрической энергии, величина которой зависит от соотношения концентраций фаз, величины удельной поверхности твердых частиц и максимальной напряженности внутреннего поля. Достаточно высокая плотность электрической энергии в мелкоразмерных слюдах обуславливает значительный вклад межфазного взаимодействия в электрофизические свойства рассматриваемой системы [2,4].
Литература:
1. , , Щербаченко поляризации тонких пленок воды в поле активной поверхности кристалла слюды // Физика твердого тела. 2008. Т.50. Вып. 6. С. 980-985.
2. , , Марчук накопления и релаксации термостимулированного заряда в гетерогенных системах диспергированных слюд // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2008. Т. 3, Вып. 4. С. 33-39.
3. , Щербаченко состояния термодинамического равновесия тонкой водной пленки, находящейся в электрическом поле активных центров поверхности кристалла слюды // Физика твердого тела. 2009. Т.51. Вып.12. С. 2394-2399.
4. , , Эйне и размерные эффекты в дисперсных системах с электрически активными частицами // Известия вузов – физика. 2009. Т. 52. №12/3. С. 336-343.
Научный руководитель – д. т.н., профессор
