Электрофизические свойства магнитодиэлектрического коллоида при воздействии поляризующего напряжения

Как видно из таблицы, удельные и переходные электрические сопротивления сплава серебро-сурьма-бор примерно равны удельным и переходным сопротивлениям серебряных покрытий, так как для серебряных покрытий переходное электрическое сопротивление при нагрузке на контакт 50 г и токе в цепи 25 мА равно (1,2 - 1,8)-10-3 Ом, а удельное электрическое сопротивление (1,9 - 2,1)-10-8 Омм. Микротвердость, сцепление, паяемость, которую определяли по коэффициенту растекания припоя ПОС-61 при использовании спиртово-канифольного флюса, определяли по ГОСТ 9.302-88.

Среди сплавов серебра с неблагородными металлами сплав серебро-сурьма-бор наиболее устойчив против действия сернистых соединений. При содержании сурьмы около 0,5 - 2,0 % по массе и бора около 1,0 - 3,0 % по массе устойчивость покрытий к потускнению в атмосфере сернистого газа повышается по сравнению с чистым серебром примерно в 6 раз. Одновременно возрастает микротвердость более чем в 2,5 раза, а износостойкость при трении по никелю - в 4,5 раза. Определяющим в использовании сплава серебро-сурьма-бор является постоянство переходного сопротивления во времени, что в основном обусловлено: коррозионной стойкостью сплава, постоянством микротвердости, пластичности и высокой износостойкостью материала. Поэтому сплав серебро-сурьма-бор служит в качестве наиболее перспективного контактного сплава, особенно работающего на истирание.

Исследовано влияние катодной плотности тока на микротвердость и износостойкость покрытия. Установлено, что с повышением катодной плотности тока микротвердость увеличивается, аналогично изменяются значения внутренних напряжений. Переходное электрическое сопротивление сплава не меняется при его трехмесячном хранении в атмосфере лаборатории и кипячении в дистиллированной воде в течение одного часа.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что данный сплав позволяет заменить серебро, наносимое на электрические контакты, при этом увеличивается износостойкость, коррозионная стойкость, срок службы и надежность работы электрических контактов, работающих на истирание.

Литература

1. Федотьев Н.П., Бибиков Н.Н., Вячеславов П.М., Грили-хес С.Я. Электролитические сплавы. М.; Л., 1962.

2. Ямпольский А.М. Электролитическое осаждение благородных и редких металлов. Л., 1977.

3. Вячеславов П.М. Электролитическое осаждение сплавов.

Л., 1971.

4. Беленький М.А., Иванов А.Ф. Электроосаждение металлических покрытий. М., 1985.

5. Кудрявцева И.Д., Скалозубов М.Ф. Электроосаждение сплава серебро-вольфрам из сульфатно-аммониевого электролита // Защита металлов. 1969. Т. 5. Вып.1. С. 95 - 99.

6. Зайцева Л.В., Закирова Э.А. Электроосаждение сплава серебро-индий // 1Х Пермская конф. по защите металлов от коррозии: Тез. докл. к конф., 26 - 28 мая 1976 г. -Пермь, 1976. С. 65 - 66.

7. Nobel P.I., Martin I.L., Toben M.P. Elektroplated palladium-

silver alloys // Plat and surfau finish. 1986. 73. № 6. P. 88 -94.

8. Пат. 4478692 США, МКИ С 25 Д 3/56, 3/64. Electrodeposition of palladium-silver alloys / F.I.Nobel, Ronal Lea. - № 561152; Заявл. 15.12.83; Опубл. 23.10.84.

9. Горбунова К.М., Полукаров Ю.М. Электроосаждение сплавов // Итоги науки. Электрохимия. Вып. 1. М., 1966. С. 59 - 113.

10. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., 1976.

14 апреля 2003 г.

Южно-Российский государственный технический университет

УДК 538.4:537.8

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛЛОИДА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОЛЯРИЗУЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

© 2004 г. П.В. Аверьянов, В.М. Кожевников, Т. Ф. Морозова

Введение

Свойства диэлектрика в электрическом поле зависят от материала используемых электродов. Выполненные к настоящему времени исследования приэлек-тродных процессов в жидких средах в зависимости от материала электродов характеризуются следующими результатами. В работах [1, 2] предложен механизм ионизационно-рекомбинационного зарядообразования,

который предполагает процессы поверхностного ионо-образования определять свойствами контакта электрод - жидкость. Экспериментальные результаты работы [3] дают возможность определить электрофизические свойства электролита в приэлектродной области в зависимости от его концентрации, ионного состава и материала электрода. В приэлектродной области выделены граничные слои, где электрофизические параметры

ближнего слоя обусловлены материалом электродов и связаны с изменением работы выхода при его замене.

В связи с этим целью работы явилось исследование влияния поверхностных свойств материала электродов на электрофизические свойства слоя магни-тодиэлектрического коллоида, находящегося под воздействием поляризующего напряжения. В экспериментах исследуемый коллоид заполнялся в плоскопараллельную измерительную ячейку с размерами электродов 40x50 мм2. Электродами служили стеклянные пластины с односторонней проводящей поверхностью, представляющей собой напыленную пленку 1п2038п02 толщиной до 0,4 мкм, а также стальные различного класса шероховатости, медные и латунные. Величина межэлектродного промежутка задавалась путем введения фторопластовых пленок и составляла от 50 мкм до 2 мм. Электропроводность и электроемкость измерялись прибором переменного тока Е7-8 на рабочей частоте 1 кГц с подачей постоянного поляризующего напряжения в диапазоне от 0 до 20 В. Исследования проводились в температурном диапазоне от минус 10 до плюс 100 °С. Погрешность в измерении величин электроемкости и электропроводности не превышала 2,5 %. Для наблюдения за процессами структурирования при воздействии поляризующего напряжения различной полярно -сти использовался оптический микроскоп марки МБР-1.

Произведен комплекс исследований влияния материала электродов на электрофизические свойства ферроколлоида. Ранее в работе [4] установлено, что изменения величин электроемкости (соответственно эффективной диэлектрической проницаемости) и электропроводности при подаче поляризующего напряжения качественно отличаются при использовании различного материала электродов. Система стальных электродов характеризуется возникновением одной максимальной величины электроемкости, в то время как системы стеклянных электродов с электропроводящим напылением (в дальнейшем - «напыленные» электроды), так и сочетаний «напыленного» электрода с любым «металлическим» - двумя максимальными величинами электроемкости (рис. 1).

Наиболее ярко такая зависимость проявляется с ростом температуры до 100 °С (рис. 2).

Величина и положение максимума электроемкости на кривой зависимости относительного изменения электроемкости в функции от поляризующего напряжения (АС/С = /(Пп)) определяется направлением вектора напряженности электрического поля, поверхностными свойствами материала электродов, межэлектродным расстоянием и концентрацией твердой фазы ферроколлоида. Величина максимума электроемкости в системе «напыленных» электродов в 1,5 раза превосходит аналогичную для системы «металлических» при t = 100 °С. При сочетании «на-

пыленного» электрода с любым «металлическим» отношение в величинах максимума электроемкости к системе «напыленных» электродов снижается до ~25 % и зависит от вида и качества поверхности металлического электрода.

АО.

Рис. 1. Изменение характера зависимости электроемкости ячейки с МЖ 6 % АС/С = /(Пп), а = 100мкм, t = 20°С для систем электродов: 1 - стекло-стекло с электропроводящим напылением; 2 - сталь-сталь

л С/С

Рис. 2. Характерные кривые относительного изменения электроемкости ДС/С = 1Щп) МЖ 6 % (1 = 100 мкм в различных электродных системах при 1 = 100°С: 1 - стекло -стекло; 2 - стекло - сталь; 3 - стекло - стальная пластина с напылением; 4 - стекло - латунь; 5 - сталь - сталь (класс шероховатости 6); 6 - сталь - сталь (класс шероховатости 10);

7 - медь - медь; 8 - металл - металл

Серия экспериментов по многократной смене полярности поляризующего напряжения показала, что для системы «напыленных» электродов смена полярности не влияет на величину первого максимума электроемкости, в то время как величина ее второго максимума изменяется вдвое и его положение определяется большей величиной напряженности электрического поля (таблица).

Влияние многократной смены полярности постоянного электрического поля на величину максимального значения относительного изменения электроемкости тах АС/С = /(ип) при г = 20 °С, й = 100 мкм системы электродов: «стекло-стекло» и «сталь-сталь» МЖ 6 %; Я„ - сопротивление электропроводящего напыления на стеклянных пластинах

Номер испытания 1-й max (ДС/С)/ип 2-й max (ДС/С)/ип

Начальная полярность Смена полярности Начальная полярность Смена полярности

1-я партия МЖ «стекло-стекло» Яст = 180 Ом

1 0,43/4,4 0,38/4,4 0,39/8,8-9,6 0,26/12-13,2

2 0,42/4,8 0,39/4,4 0,39/8,8-9,6 0,28/12,8

3 0,42/4,8 0,44/4,4 0,39/8,4-9,6 0,28/12,4

4 0,43/4,8 0,46/4,4 0,4/8,4-9,2 0,28/12,8

2-я партия МЖ «стекло-стекло» Яст = 180 Ом

1 0,43/5,2 0,37/4,8 0,37/9,6 0,27/10,0

2 0,46/4,8 0,43/4,4 0,38/9,6 0,27/11,2

1 0,49/4,8 0,5/4,8 0,29/10,0-11,2 0,41/8,8

2 0,46/4,4 0,54/4,8 0,3/9,6-11,2 0,41/8,4

«Стекло-стекло» Яст = 90 Ом

1 0,42/5,2 0,35/5,2 0,38/9,2-10,0 0,27/12-14

2 0,41/4,8 0,38/4,8 0,38/8,8-9,2 0,28/12,8-14,2

3 0,44/4,8 0,38/4,8 0,39/8,8-9,2 0,29/13,2-14

«Сталь-сталь»

1 0,28/11,2 0,3/7,2-8,4 -

2 0,27/10-11,2 0,29/7,2-8,4 -

3 0,29/10,6 0,37/6,4-6,8 -

4 0,28/10,2 0,36/6,0-6,4 -

Электроемкость

Влияние материала электродов на результирующую электроемкость ячейки с ферроколлоидом возможно объяснить, с одной стороны, инжекцией с поверхностей обкладок плоскопараллельного конденсатора, обладающих различной работой выхода. Так, для применяемых нами материалов электродов работа выхода: Ре - 4,31 эВ; Си - 4,40 эВ; 1п - 3,8 эВ; 8п - 4,38 эВ; гп - 4,24 эВ.

Рис. 2 показывает, как изменяется характер зависимости АС/С = $ип) ячейки, заполненной коллоидом, с различными поверхностными свойствами электродов. Электропроводящее покрытие 1п2038п02 на стеклянных пластинах рассматриваем как полупроводник, обладающий меньшей работой выхода по отношению к металлам. Сесквиоксид 1п203 - полупроводниковое соединение с р = 7,04 г/см3, основа прозрачных электропроводящих пленок легированных 8пО - полупроводниковым соединением с р = 6,95 г/см ; оба оксида -полупроводники п-типа. С другой стороны, если предположить, что применяемые нами стеклянные с электропроводящим напылением электроды относятся

к категории «блокирующих» [5], то возникающая в этих условиях поляризация ферроколлоида, обладающего в силу своего структурного состава различными носителями заряда, зависит от электродов.

Для установления влияния электропроводящего напыления на характер изменения электроемкости при воздействии поляризующего напряжения были проведены исследования с различными величинами сопротивления проводящего напыления (рис. 3). дс

а

б

Рис. 3. Изменение характера зависимости электроемкости (а) и удельной электропроводности (б) ячейки с МЖ 6 %, d = 100мкм, t = 100°C ДС/С = f(Un) при различном сопротивлении электропроводящего напыления (Яст) на стеклянных электродах: 1 - ячейка с Яст = 250 Ом и Яст = 100 Ом, "+" потенциал на электрод с Яст = 250 Ом; 2 - ячейка с Яст = 250 Ом и Яст = 100 Ом,"+" потенциал на электрод с Яст = 100 Ом; 3 - ячейка с идентичными электродами Яст = 250 Ом; 4 - Ячейка с идентичными электродами Яст=100 Ом

В работе [6] было выдвинуто предположение, что возникновение первой максимальной величины электроемкости связано с поляризацией при воздействии электрического поля как ионов основы, так и самих магнитных частиц, а второго - только с поляризацией магнитных частиц. Анализ рис. 3а и 4а свидетельствует, что в образование первой максимальной величины электроемкости вносит свой вклад и инжекция, так как напряженность поля в приэлектродном слое повышена. Известно, что работа выхода электрона с поверхности контактирующего электрода снижается при взаимодействии с полярным диэлектриком. Рассматриваемый ферроколлоид представляет собой матричную смесь, где матрица - диэлектрик: неполярная углеводородная среда (керосин, трансформаторное масло), содержащая свободные полярные молекулы олеиновой кислоты, и включения - проводящие частицы магнетита, стабилизированные поверхностно-активным веществом. Таким образом, магни-тодиэлектрический коллоид можно рассматривать как слабополярную жидкость. На границе электрод - ферроколлоид электроны металла переходят благодаря туннельному эффекту в поверхностные ловушки диэлектрика. В этом случае электроны не огибают зону проводимости, работа выхода уменьшается и выполняется условие Ф < Ф1 + Е л , где Ф^1 эВ - работа выхода диэлектриков, Ел - расстояние под зоной проводимости, на котором в большой концентрации находятся поверхностные ловушки. Отекание электронов будет происходить, пока не установится равновесие, определяемое появлением двойного слоя [7]. Установлено, что при увеличении собственной электропроводности «напыленного» электрода величина первого максимума электроемкости возрастает (рис. 3 а).

Можно рассмотреть возникающий максимум электроемкости для системы ферроколлоид - «напыленные» электроды (рис. 1, кривая 1) с позиций электронно-дырочного перехода. Так как электропроводящее напыление 1п2038п02 - проводник п-типа, то принимаем условно слой ферроколлоида за полупроводник р-типа. Известно, что внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера, возникающего на границе п-р-перехода. От направления вектора напряженности электрического поля зависит как электропроводность, так и электроемкость электронно -дырочного перехода. Повышение и понижение потенциальных барьеров приводит к изменению объемного заряда. Но так как объемный заряд неподвижен, то его увеличение при подаче отрицательного потенциала на р-область происходит за счет расширения области его локализации и, следовательно, уменьшения электроемкости приэлектродной области. При подаче положительного потенциала на р-область к емкости слоя объемного заряда прибавляется диффузионная емкость, приводящая к снижению потенциального барьера и увеличению электроемкости приэлектродной области. Наложение поля различной полярности на электропроводящий слой 1п2038п02 приводит к изменению величины запрещенной зоны: при подаче положительного потенциала ширина при-

граничной области с ферроколлоидом увеличивается за счет оттока электронов во внутреннюю область проводящего слоя. Электроемкость ячейки в этом случае складывается из емкости объема (свободные носители заряда основы и связанные заряды частиц магнетита в олеиновой кислоте), а также емкостей приграничных областей. На кривой зависимости ДС/С = _Дип) образуется первый максимум электроемкости. Дальнейшее увеличение напряженности поля приводит к перераспределению энергии взаимодействия (возвратом определенного количества электронов в приграничную область) и, как следствие, уменьшению емкости приграничного слоя, и снижению суммарной емкости ячейки.

Для системы ферроколлоид - стальные электроды нелинейная зависимость электроемкости (рис. 1, кривая 2) предположительно может быть объяснена с позиций МДМ-туннельных структур, имеющих разные высоты потенциальных барьеров, т.е. для электронов, туннелирующих через диэлектрический слой, последний представляет асимметричный барьер. При приложении к первому электроду положительного потенциала уровень Ферми второго электрода повысится относительно уровня Ферми первого и через структуру будет протекать ток от второго электрода к первому. При приложении к первому электроду отрицательного потенциала снижается уровень Ферми второго электрода относительно уровня Ферми первого и через туннельную структуру будет протекать ток от первого электрода ко второму. В отличие от полупроводников, в металлах двойной электрический слой сосредоточен на поверхности и его толщина имеет порядок межатомного расстояния. Возникающий максимум электроемкости слоя ферроколлоида в системе стальных электродов обусловлен суммарным вкладом трех составляющих заряда: свободных носителей основы, инжекцией с электродов и ориентацией магнитных частиц.

Ячейка с ферроколлоидом системы смешанных электродов («напыленный» - «стальной») предположительно аналогична МДП-структурам (рис. 4а).

При зарядке конденсатора такой структуры электропроводность полупроводника изменяется вблизи раздела с диэлектриком вследствие изменения концентрации носителей заряда. Электрический заряд из полупроводника переходит в ловушки на границе его раздела с коллоидом. При подаче положительного потенциала на «напыленный» электрод процесс образования приповерхностного заряда происходит по схеме п-р-перехода, образуя диффузионную емкость и увеличивая суммарную электроемкость ячейки. Если же положительный потенциал приложить к металлическому электроду, то на границе раздела «напыленного» электрода с коллоидом образуется проводящий инверсионный слой п-типа, и ток проводимости будет протекать параллельно электроду, что в результате снижает электроемкость и электропроводность системы. Возврат к первоначальному направлению электрического поля, вероятно, вызывает в системе «память», и процесс повторяется.

Рис. 5. Изменение характера удельной электропроводности ячейки с МЖ 6 %, d = 100 мкм, t = 20°С для систем: 1 -«металлических» электродов; 2 - «напыленных» электродов; о - заданная полярность электрического поля; • - смена полярности

В любой из рассматриваемых систем электродов на границе электрод - ферроколлоид возникают поверхностные структуры, обеспечивающие перенос заряда между электродом и жидкостью в электрическом поле [8, 9]. Строение этих приэлектродных структур предполагает, что они могут реализовать карьерный характер проводимости по аналогии с контактными и

эмиссионными процессами в таких структурах, как

металл - диэлектрик или металл - полупроводник.

Литература

1. Стишков Ю.К., Остапенко А.А. Электрогидродинамические течения в жидких диэлектриках. Л., 1989.

2. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Мельченков Д.С. Ио-низационно-рекомбинационный механизм зарядообразо-вания в магнитной жидкости//1-я Российская науч.-практ. конф. «Физико-технические проблемы создания новых технологий». Ставрополь, 2001. C. 297-299.

3. Иванов У.И. Влияние распределения электрического поля и структуры граничной фазы на процессы переноса// Электронная обработка материалов. 1991. № 3. С. 53-55.

4. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Морозова Т.Ф. Влияние структуры приграничного слоя магнитной жидкости на ее электрофизические свойства // 9-я Междунар. Плесская конф. по магнитным жидкостям: Сб. науч. тр. Плес, 2000. С. 169-174.

5. Электреты / Под ред. Сесслера. М., 1983.

6. Кожевников В.М., Морозова Т.Ф. Электрофизические параметры тонких слоев магнитной жидкости и ее ком-понентов//Сб. науч.тр., серия «Физико-химическая». Вып. 3 / СевКавГТУ. Ставрополь, 1999. С. 60-66.

7. Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике: Пер. с рум. / Под ред. А.А.Обуха. М., 1980.

8. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Морозова Т.Ф. Кинетика электричесских и оптических свойств тонкого слоя магнитной жидкости// Сб. науч. тр. СтГТУ, серия «Физико-химическая». Вып. 2. 1999. С. 36-40.

9. Kozhevnikov V.M., Morozova T.F. Inductivity of a stratum magnetic fluid in electrical and magnetic fields//Magneto hydrodynamics. 2001. Vol. 37. № 4. P. 383-388.

22 июля 2003 г.

Северо-Кавказский государственный технический университет

УДК 621.357

О НАУЧНОЙ СИСТЕМЕ ПОНЯТИЙ В ЭЛЕКТРОХИМИИ 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДА, ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ

ЭЛЕКТРОДНОГО ПРОЦЕССА

© 2004 г. В. Ф. Кукоз, Е. В. Бесфамильная, И.Г. Бобрикова, Ф.И. Кукоз

Любое понятие, как словесное выражение мысли, состоит из термина (слова или слов) и его смыслового толкования - определения (дефиниции). Каждая область знаний имеет свой язык, свой понятийный аппарат. Причем в ряде случаев один и тот же термин имеет в разных науках неодинаковое определение (смыслопонимание). Это существенно усложняет восприятие научных текстов и особенно образовательный процесс. Точное, однозначное и полное определение данного термина - основное дидактическое требование в развитии научного мышления.

До середины XX в знания субъектов образования базировались на логико-комбинаторном мышлении. Знания современного поколения, переживающего информационный взрыв, являются, в основном, информационно-фиксирующими. Логикокомбинаторное мышление обеспечивало долговременное и достаточно глу-

бокое знание полученной информации. При информационно-фиксирующем восприятии нового знания имеет место прямолинейное понимание воспринятой информации, ограниченное механическим закреплением ее в памяти, без глубокого ее осмысления, что формирует короткую память и, соответственно, очень низкий уровень так называемых остаточных знаний. Последнее является проблемой, требующей безотлагательного решения. Кроме того, без однозначного определения терминов и правильного их применения невозможно создавать полноценные автоматизированные информационные системы и автоматизированные информационные технологии научных исследований и образовательного процесса. Особенно остро эта проблема встает при изучении междисциплинарных научных дисциплин и межотраслевых технологий, к каким относится, например, электрохимия.