Энергия межфазного электрического взаимодействия твердой и жидкой компонентов электрически активных дисперсных систем

УДК 537.9

Энергия межфазного электрического взаимодействия твердой и жидкой компонентов электрически активных дисперсных систем

, ,

Иркутский государственный университет, кафедра общей физики

Тел.: [phone]

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:

, , Щербаченко поляризации тонких пленок воды в поле активной поверхности кристалла слюды // Физика твердого тела. 2008. Т.50. Вып. 6. С. 980-985. , , Марчук накопления и релаксации термостимулированного заряда в гетерогенных системах диспергированных слюд // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2008. Т. 3, Вып. 4. С. 33-39. , 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. , , 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