Сұйықтар туткырлыfын стокс эдiсi бойынша аныктау

1 СҰЙЫҚТЫҢ ТҰТҚЫРЛЫҒЫН СТОКС ӘДІСІ БОЙЫНША АНЫҚТАУ

Барлық шынайы сұйықтар мен газдардың тұтқырлығы болады (ішкі үйкеліс). Сұйық немесе газда пайда болатын макроскопиялық қозғалыс оны тудыратын себептердің (күштердің) әрекеті тоқтағаннан кейін ішкі үйкеліс күштерінің салдарынан біртіндеп азаяды.

Сұйықтар  мен газдарда тұтқырлық құбылысын  келесі әдіспен қарастыруға болады. Бірінен бірі dx қашықтықта тұрған сұйықтық немесе газдың екі қабаты υ₁ және υ₂ жылдамдықтаныа ие болсын. Тез қозғалатын қабат жағынан баяу қозғалатын қабатқа оны жылдамдататын күш әсер етеді. Жылдам қабатқа баяу қабат жағынан керісінше тежейтін күш әсер етеді. Ол қабат бетіне жанама бойынша бағытталған ішкі үйкеліс күштері. Жанасатын қабаттардың ауданы неғұрлым үлкен болса, бұл күштерде соғұрлым үлкен және қабаттан қабатқа өту кезінде сұйықтың (газдың) ағының жылдамдығына немесе Ньютон теңдеуі тәуелді болады

                                        (1.1)

мұнда - жылдамдыққа перпендикуляр бағытта қабаттар арасындағы ара-қашықтыққа шаққандағы жылдамдықтың өзгеруі (жылдамдық модулінің градиенті); S – қабаттардың жанасу ауданы; η – сұйықтың (газдың) динамикалық тұтқырлығы.Ағыны (1.1) теңдеуіне бағынатын сұйықтықтар үшін тұтқырлық жылдамдықтың градиентіне тәуелді емес. Осындай сұйықтар ньютондық деп аталады, ал тұтқырлық – нормалды. (1) теңдеуге бағынбайтын сұйықтар ньютондық емес деп аталады, ал олардың тұтқырлығы - аномалды. Ньютондық емес сұйықтарға күрделі және ірі молекулалардан тұратын сұйықтар жатады, мысалы, полимерлердің ерітінділері. Ньютондық емес сұйыққа сорпа да жатады, өйткені құрылымды түзілімдер болып келетін ақуыздар мен жасушалардан тұрады.Сорпаның тұтқырлығы әдетте 4 тен 5 мПа дейін ауытқиды және 1,7 ден 22,9 мПа·с дейін өзгеруі мүмкін. Сорпаның тұтқырлығы диагностикалық мәнге ие.Тұтқырлық сұйық немесе газдың табиғатына, температурасына, төмен температураларда қысымына тәуелді. Газдардың тұтқырлығы жоғары температураларда ұлғаяды, сұйықтардың – төмендейді.Сұйық тұтқырлығының температураға тәуелділігі күрделі сипатқа ие. Молекулалар тепе-теңдігінің орналасуларын жиі ауыстырғанына байланысты, сұйық ағынды және төмен тұтқырлы болады, яғни сұйықтықтың тұтқырлығы релаксация уақытына тура пропорционал: Дене қозғалған кезде тұтқырлы сұйықта қарсыласу күштері пайда болады. Осы қарсыласудың пайда болуы әртүрлі болуы мүмкін. Дененің артында құйындар болмаған кезде үлкен емес жылдамдықтарда қарсыласу күші сұйықтың тұтқырлығымен негізделеді. Денеге жанасатын сұйықтықтар қабаттары олармен еріп әкетіледі. Осы қабаттар және келесілер арасында үйкеліс күштері пайда болады.Қарсыласу күштерінің екінші механизмі құйындардың туындауымен байланысты. Дененің сұйықта жасалатын жұмысының бір бөлігі құйындардың түзілуіне кетеді де, олардың энергиясы ішкі энергияға айналады.Стокс заңына сәйкес, шарик төмен жылдамдықпен, құйындар жоқ болғанда тұтқыр сұйықта қозғалысы кезінде қарсыласу күшін тең

                                     (1.2)

мұнда  r – шарик радиусы; υ – оның қозғалысының жылдамдығы; η – сұйық тұтқырлығы.Сұйықта қозғалатын шарикке үш күш әсер етеді: қарсыласу күші (2), ауырлық күші және итеретін күш (сурет 1)                                                                         (1.4)

мұнда ρ – шарик затының тығыздығы; ρ₀ – сұйық тығыздығы.

Ауырлық күші мен итеретін күш модуль бойынша  тұрақты, қарсыласу күші жылдамдыққа  тура пропорционалды. Шариктің қозғалысы кезінде сұйықта барлық үш күш тепе-теңдікке келіп, шарик тепе-тең қозғала бастайтын момент келеді

 немесе

                               (Берілген моментті пайдаланған кезде сауыт қабырғаларының жанында орналасқан сұйықтықтың қозғалмайтын қабаттары жағынан шарикке тежеуіш әсер ететін әрекеттің алдын алу керек. Ол үшін сұйықты бар сауыттың диаметрі шариктің диаметрінен әлдеқайда үлкен болуы қажет.

Стокс әдісі  қарапайым және күрделі жабдықтарды  талап етпейді, алайда оны тамақ  және биотехнологиялық зерттеулерде қолдануы шектеулі, өйткені ол үшін зерттелетін  сұйықтың үлкен мөлшері қажет.

Газдардағы электр разрядтары, газдық разрядтар – электр өрісінің әсерінен газдар арқылы электр тоғының өтуі. Газда металл мен сұйықтағыдай бос зарядтар (электрондар мен иондар) болмайды. Газдар, негізінен, бейтарап атомдар мен молекулалардан тұратындықтан, олар қалыпты жағдайда электр тоғын өткізбейтін диэлектриктер қатарына қосылады. Сондықтан газ ішіндегі электр тоғы қатты өткізгіштер мен электролиттердегі тоққа мүлде ұқсамайтын бір қатар ерекше құбылыстар туғызады. Газ арқылы электр тоғы өтү үшін, оны иондау (яғни оның ішінде жеткілікті мөлшерде зарядты бөлшектердің пайда болуы) керек. Мұндай зарядты бөлшектер кейбір фактордың әсерінен пайда болады немесе газға сырттан енгізіледі; не болмаса электродтар арасындағы электр өрісінің әсерінен пайда болады. Осындай әсерлер нәтижесінде газда электр тоғының пайда болуын газдық разрядтар деп атайды. Газдағы зарядты бөлшектер (заряд тасушылар) сыртқы факторлардың, яғни ионизаторлардың (жалын, рентген сәулелері, термоэлектрондық эмиссия, радиоактивті сәулелер т.б.) әсерінен пайда болса, онда ол тәуелді разряд деп аталады.[1]Газдағы электр разрядтарының көріністері мен сипаттамалары әр түрлі болады. Мұның өзі газ арқылы электр тоғының өту шарттарын анықтайтын параметрлер мен қарапайым процестердің сан алуан болатындығын көрсетеді. Бұлардыңбіріншісіне - газдың құрамы мен қысымы, разрядтық кеңістіктің геометриялық конфигурациясы, сыртқы электр өрісінің жиілігі, ток күші т.б. жатса,екіншісіне – иондалу және газ молекулалары мен атомдарының қозуы, рекомбинация, екінші текті соқтығысу, қайыра зарядталу, заряд тасушылардың серпімді шашырауы, электрондық эмиссияның түрлері т.б. жатады. Әр түрлі факторлар әсерінен газ молекулалары мен атомдары оң және теріс зарядталған бөлшектерге ылдырайды, яғни газ иондалады. Иондардың пайда болу процесі газдың иондалуы деп аталады. Иондалу кезінде кейбір молекулалар электрондарынан айрылып, оң ионға, ал босап шыққан электрон теріс еркін заряд тасушыға айналады. Алайда, көбінесе, бұл электрондар бейтарап молекулаға «жабысып» теріс зарядталған иондар түзеді. Газда ионизатордың әсерінен иондардың пайда болуымен бірге иондардың бейтараптану процесі де қатар жүреді. Ол былайша түсіндіріледі: әр аттас зарядты иондар электрлік тартылыс күші әсерінен бір-біріне жақындайды да, олар қайта қосылып бейтарап молекула құрайды. Мұндай процесс иондардың рекомбинациясы деп аталады. Пайда болған зарядтар мен рекомбинацияланған зарядтар арасында тепе-теңдік орнағанда газдың электр өткізгіштігі тұрақты (стационарлы) болады. Зарядтар көлемдік рекомбинация, электрод аралық кеңістікте диффузиялану және олардың ток өткен кезде электродтарға кетуі нәтижесінде бейтараптанады. Егер иондалу тек сыртқы ионизатордың әсерімен ғана жүзеге асырылса, ал өріс кернеулігі өте аз және разрядтық аралықтың көлденеңі тым үлкен (зарядтың еркін жол ұзындығы мен электродтар арасындағы қашықтықпен салыстырғанда) болса, онда зарядтар негізінен көлемдік рекомбинация процесінің әсерінен бейтараптанады. Бұл жағдайда зарядтартың пайда болу және бейтараптану процестерінің тепе-теңдік шарты мынадай болады:

N=αn²V,мұндағы

α – рекомбинация коэффициенті,

V – разрядтық аралықтың көлемі,

N – сыртқы ионизатр әсерінен уақыт бірлігі ішінде пайда болатын қос зарядтар саны,

n – заряд концентрациясы. Бұл жағдайда заряд концентрациясы тұрақты болып қала береді.