Распространение электрических импульсов (колебаний) в электролитическом кабеле.

Закон Гука в электростатике

(Аксон, синапс, нейрон)

 

Рассмотрим коаксиальный кабель (далее капилляр), центральный проводник которого выполнен (1), из электролита, в виде круглого цилиндра, экран (2) выполнен из металла или электролита, в виде круглого цилиндра, пространство между центральным проводником и экраном заполнено диэлектриком (3), составляющим капилляр. Такой кабель назовём электролитическим.

Рис.1. Схема электролитического кабеля (контактные электроды не указаны).

Конкретное исполнение рис.2 и рис.3

Рис. 2 Электролитические кабели: капилляры выполнены из пластмассы, экран из электролита, которым пропитана марля, видны торцевые контактные электроды

Рис. 3 Электролитический кабель выполнен из пластмассы, экран из медной оплётки.

Опыт показывает, что скорость распространения электрических колебаний в электролитическом кабеле зависит от физических свойств, размеров и формы кабеля, но не зависит от частоты, амплитуды, длительности и формы импульса. Она может принимать значения от скорости света до скорости звука в веществе и ниже, практически до нуля, при этом значение её может непрерывно меняться, с физическими и химическими изменениями параметров кабеля. Электрические колебания определяются перемещением ионов, и скорость равная скорости света получается за счёт большого числа их.

Поэтому будем считать, чтобы остаться в рамках существующей физики, что частью электролитического кабеля является его электрическая составляющая, обладающая упругими свойствами, подчиняющаяся закону аналогичному закону Гука для упругих тел. Тогда приложив математический аппарат для распространения колебаний в упругих средах, получим вытекающие из опыта результаты. Примем за эту электрическую составляющую совокупность заряженных частиц.

Упругое взаимодействие электростатических облаков в телах.

Рассмотрим проводник, первого или второго рода. В нём имеются заряженные частицы как положительные, так и отрицательные, которые относительно свободно по отношению друг к другу могут перемещаться. Заряженные частицы составляют два “облака”: положительно и отрицательно заряженные. Совокупность их назовём электростатическим облаком проводника. Аналогичные рассуждения справедливы и для диэлектриков, только с поправкой на свободу перемещения заряженных частиц. Частицы, составляющие облака, взаимодействуют между собой и с проводником. Это определяет “жёсткость” (форму и способность её сохранения) облаков, посредством сил взаимодействия частиц составляющих их между собой и с остовом проводника (совокупностью частиц, заряженных или нет, занимающих определённое, относительно, постоянное положение в теле), гравитационные взаимодействия нужно также учитывать. Облака упругие структуры, т.е. возможна их местная деформация, и она сопровождается возникновением упругих сил, стремящихся устранить её. Силы упругости определяются электростатическим взаимодействием зарядов и механическими свойствами тела. Можно говорить о силе взаимодействия облаков или их частей, как между собой, так и внутри каждого облака, при возникновении деформации, т.е. при смещении относительно друг друга облаков или их частей. Следовательно, внутри облаков могут распространяться электрические колебания, как результат кратковременного возбуждения отдельной части или непрерывного воздействия (природа которого может быть электрическая, магнитная, электродинамическая, в частности, свет, механическая и гравитационная), по аналогии с распространением механических колебаний в упругой среде, ибо электрические колебания являются отображением механических перемещений зарядов. Положение заряда (заряженной частицы) – потенциал точки пространства, поля определённого этим зарядом.

Опыт показывает, что при распространении электрических колебаний в электролитах ограниченных капилляром происходит изменение свойств электролитов и существует излучение, которое не экранируется известными способами (индуцированными электрическими зарядами, индуцированным магнитным полем, массой, плотностью).

Пусть на проводник не действуют силы извне, и в нём не распространяется (ются) энергетическое возмущение, могущие деформировать облака. В проводнике установилось равновесие, которое определяет минимальный объём (ячейку) вне которого (ой) результирующее электрическое поле, определённое заряженными частицами заключёнными в него, равно нулю. Облака взаимно компенсируются.

Будем считать, что расстояние вдоль оси тела между зарядами равно нулю, они нейтрализовали друг друга, – их нет для внешнего наблюдателя, каждый из них для него равен нулю. Каким либо образом сдвинем заряды на величину ∆x. Заряды обнаружат себя для стороннего наблюдателя, как диполь с плечом (расстоянием между зарядами) ∆x с зарядами ∆q противоположных знаков, составляющими часть действительных зарядов ±q ячейки. При увеличении ∆х заряды ∆q будут расти по модулю, для внешнего наблюдателя. Этот рост с увеличением ∆х будет продолжаться до тех пор, пока ∆q не станет равным q. Заряды, составляющие диполь будут притягиваться друг к другу с силой пропорциональной 1/∆х² и ∆q².

Упругое взаимодействие положительно и отрицательно заряженных ионных облаков в электролитах.

Будет рассматривать цилиндрический, с основанием окружность, электролитический проводник, выделенный в электролите бесконечно больших размеров.

Пусть электролит представляет собой раствор соли, например, NaCl, с молярной концентрацией С_м, в химически чистой воде. Пока электролитической диссоциацией воды пренебрегаем

Молекула NaCl, попав в воду, распадается на два иона: положительно заряженный ион натрия Na⁺ и отрицательно заряженный ион хлора Cl^-. Этот распад нельзя считать подобным разрушению стены на отдельные кирпичи, после которого нарушается связь между кирпичами, могущая изменить, при снятии ограничений, их относительное движение.

Атомы натрия и хлора, составляющие молекулу поваренной соли, находятся в постоянном хаотическом тепловом движении по отношению друг к другу, характеризуемом температурой, при этом числовое значение относительных скоростей распределено в определённом открытом интервале (распределение Максвелла). Целостность молекулы определяется, в частности, электростатическим взаимодействием атомов составляющих её. Этим определяется, вне воды, среднее расстояние между центрами масс атомов и частиц. Попав в окружение молекул воды, атомы молекулы поваренной соли вызывают их поляризацию. Электростатическое поле поляризованных молекул воды накладывается на электростатические поля атомов натрия и хлора, и сила взаимодействия между ними ослабевает в e раз, расстояние между атомами подходит к критическому, своего рода почти безразличное равновесие, при котором достаточно небольшого энергетического воздействия, например, теплового, чтобы ионы разошлись, окружённые поляризованными молекулами воды. Поляризация молекул растворителя не полностью компенсирует взаимодействие молекул хлора и натрия, поэтому они стремятся обратно сблизиться. Играет роль взаимодействие ионов за счёт их магнитного и гравитационного полей.

Если отсутствует внешнее воздействие на ионы, и нет энергетического импульса, распространяющего внутри электролита, то внутри электролита устанавливается динамическое равновесие, при котором пары ионов натрия Na⁺ и хлора Cl^- образуют диполи со средним расстоянием между зарядами е⁺ и е^- равным L, которое зависит от температуры. При приложении к ним пары сил можно вызвать их поворот. Который вызовет смещение окружающих частиц (деформацию сжатия, растяжения и сдвига), что вызовет возникновение сил стремящихся вернуть диполь в исходное положение. При этом, чем больше расстояние между диполями, т.е. ниже концентрация вещества, тем труднее диполи разрушить. При переходе от одного диполя к другому иону нужно преодолеть потенциальный барьер, величина которого зависит от расстояния между диполями. В этом и заключается разрушение диполей.

При высокой концентрации вещества диполи легко разрушаются и образуются вновь, т.к. чем меньше расстояние между ионами, тем меньший требуется энергетический всплеск, для того чтобы диполи обменялись бы ионами.

Если внешнее воздействие на ионы постоянно, то в электролите возникает постоянный ток, как среднее от изменений движения отдельных ионов.

Если внешнее воздействие на ионы непостоянно или кратковременно, ионы колеблются около положения равновесия и силы упругости, возникающие при этом, определяют скорость распространения этих колебаний. Если приложенный импульс кратковременен, то происходит его изменение, определяемая активными и реактивными параметрами среды, в которой он распространяется.

 

Рис.4 Серия входных импульсов (прямоугольный) и импульсов распространяющихся в электролитическом проводнике.

 

Если приложено, например, синусоидальное много раз повторяющее воздействие, то искажения сглаживаются, появляется постоянная составляющая.

 

Рис.5 Период следования входного импульса меньше длительности импульса распространяющего в электролите. Уровень нуля для верхнего сигнала совпадает со шкалой. Нижний сигнал на входе кабеля, верхний на его выходе. В этом случае трудно определить время задержки в распространении электрического сигнала.

В первом случае скорость распространения можно определить временем задержки распространения основания переднего фронта импульса. Разделив на него расстояние, на которое распространяется импульс.

 

Рис.6. К определению параметров импульсов и их сопоставление.

1. Импульс на входе кабеля.
2. Импульс на выходе или в любой точке кабеля. Горизонтальная ось это ось времени. Импульс это картина изменения потенциала в выбранной точке кабеля во времени.

t - время задержки основания в распространении сигнала, все фазы импульса запаздывают на эту величину, деформации импульса в зависимости от величины времени задержки не происходит.

t_А – время задержки амплитудного значения, оно присуще только амплитудному значению.

l - длительность импульса.

Во втором случае, сравнив задержку в распространении амплитудных значений напряжений в электролите и в металлической RC линии с теми же R и C параметрами. Разность будет значением скорости за счёт упругих свойств электролита.

Считаем, что раствор хлористого натрия содержит диполи Na-Cl с расстоянием между зарядами (далее плечом) L. Которые поворачиваются и легко распадаются на свободные ионы под действием внешнего электрического поля. Ионную проводимость электролита нужно рассматривать как дырочную.

При отсутствии внешнего воздействия и зарядов внутри электролита, диполи ориентированы хаотично.

Пусть к диполю каким-либо образом приложена пара сил. Диполь повернулся. Возникла сила упругости за счёт электрического взаимодействия, возвращающая диполь в исходное положение. Механическую составляющую этой силы будет считать, временно, равной нулю, т. к. это проводник. Это допущение натянуто.

Определим составляющую силы электростатической упругости вдоль оси проводника:

1 случай: (рис.7), заряды составляют диполь с плечом L и зарядом ±q, который при отсутствии внешних сил в проводнике расположен так, что его ось ортогональна оси проводника. В этом случае составляющая силы взаимодействия зарядов вдоль оси проводника равна нулю, как и расстояние, вдоль оси проводника, между зарядами.

Сместим заряды вдоль оси проводника на dx, что равносильно повороту диполя в плоскости чертежа на угол α (рис.8).

Рис.7 Рис.8

F сила взаимодействия зарядов составляющих диполь. df составляющая силы F действующая вдоль оси Ох она равна

поэтому

df это сила возвращающая диполь в первоначальное положение и она прямо пропорциональна относительному смещению зарядов вдоль оси ОХ и противоположно ему направлена.

Далее >>

 

<<Начало