В статье рассмотрена инновационная модель исследования механизма проводимостей в системе катодной защиты. Для изучения механизма проводимостей в грунтовых электролитах под воздействием постоянной или выпрямленной ЭДС была выбрана электродная система, представляющая собой наибольшие параметры электродов и среды, встречающиеся в технике – катодная защита. Используя аналогию понятий законов Снеллиуса, Максвелла, учитывая локализацию электромагнитной энергии (вектор Пойнтинга) и закон Фарадея (движения материальных частиц ионов и катионов) позволяет подобрать математическую функцию удобную для практического использования данных, полученных прямыми измерениями в проводниках второго рода, а также легко выявить оригинальные связи и явления, происходящие в системе катодной защиты, имеющей огромное значение в сохранение экологической безопасности и экономике.
Постановка задачи. C целью получения практических результатов в сложных системах можно разработать модель использования закона Снеллиуса (например, для изучение электрического тока в грунтовых и водных электролитах).
Сначала заметим, что отношение sinα/sinφ для любого вещества является неотъемлемым свойством – таким как его температура кипения или плавления. «Любую придуманную модель распространения света (или электромагнитной энергии) можно будет испытать, выясняя вопрос, объясняет ли она второй закон преломления – закон Снеллиуса».
Особенности рассматриваемой системы
1. Грунтовую и водную среды принято
считать не изотропными и даже не анизотропными, а гиротропными, поэтому ε и μ принимать за const и равным единице.
2. Ток образуется одновременно и противополярными частицами и движется от анода к катоду в виде положительных частиц, а от катода к аноду – отрицательных частиц с разными скоростями.
3. Система подчиняется законам Ома и Джоуля-Ленца, т.е. «вся» электромагнитная энергия источника, постоянной или выпрямленной ЭДС, превращается в теплоту.
4. Поток энергии заряженных частиц, движущихся в противоположных направлениях, принимается за общий поток вектора Пойнтинга, в котором локализована энергия источника, который при взаимодействии со средой раздваивается на два потока, сложно взаимодействующих между собой, но обязательно в соответствии с законами сохранения баланса энергии, импульса и количества движения.
5. На границах анод-среда и катод-среда, под воздействием ЭДС источника образуются два двойных слоя, емкости которых зависят от величины ЭДС источника.
6. Потенциальная система защищаемого сооружения (катода) является гальваническим элементом (источником электромагнитной энергии) не ЭДС, а источником тока [1].
Выбор базовой модели. Наиболее простой и понятной исходной моделью, для получения количественных показателей на базе прямых измерений в системе анод-катод нами принята модель Снеллиуса-Максвелла: падения, преломления и отражения энергии, локализованной в пространстве вектором Пойнтинга. Вектор Пойнтинга, как выше было показано, включает в себя напряженность магнитного и электрического полей, характеристику его зависимости от изменения магнитной восприимчивости, диэлектрической постоянной и является законом сохранения энергии.
На рис. 1 представлено геометрическое построение, приводящее к закону Снеллиуса.
Геометрическое построение, приводящее к закону Снеллиуса
Здесь отношение хорд AB/AO = sinα, а СД/ОД = sinφ. Поскольку, АО и ОД есть радиус одной и той же окружности то:
где 
, – показатель преломления, аналогично 
Методика исследования
1. Измерялась выпрямленная мощность P в цепи ваттметром при различных фиксированных значениях, возможных для данной установки токов I, измеряемых амперметром, устанавливаемых изменением напряжения по вольтметру U.
2. Заносились в журнал показания приборов (табл. 1) для каждого фиксированного режима источника.
Таблица 1
Экспериментальные данные для фиксированных напряжений от Umin до Umax
|
Напряжение U, В |
5 |
10 |
15 |
18 |
25 |
|
Ток I+, А |
3 |
5 |
8 |
10 |
12 |
|
Мощность Р, Вт |
43,75 |
118,75 |
250 |
325 |
550 |
3. По выявленным автором формулам [2, 3]
где Z = U/I+; 
; φ, φ+, φ– – углы преломления потоков движущихся частиц, определялись cosφ; cosφ+; и cosφ–, а также сумма углов φ = φ++φ– (табл. 2).
Приведенный расчет показывает (табл. 2), что:
1. Мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности, равной произведению падения напряжения на ток, не измеряемый амперметром, а ток, определяемый суммой токов, образованных движением анионов и катионов в соответствии с законом Фарадея: I = P:U∙1,6∙10–19∙6,25∙1018.
2. При изменении уровня падения напряжения, измеряемого вольтметром, изменяются углы преломления энергий потоков движущихся частиц, направленных от анода к катоду и от катода к аноду.
3. При повышении уровня напряжения, приложенного к электродам, угол φ++ уменьшается, угол φ–- увеличивается, сумма углов при этом остается постоянной величиной и равной π/2.
4. Проводимости g+ и g– монотонно уменьшаются и в сумме составляют общую проводимость равную g. При g+ = g– ток в электролите равен нулю.
Таблица 2
Расчетные данные электронной и ионной проводимостей, углов преломления энергии от соответствующих сопротивлений и соответствующих падений напряжения на этих сопротивлениях
|
g = P/U2 |
1,75 |
1,187 |
1,11 |
1,0 |
0,88 |
|
g+ = 1/Z |
0,6 |
0,5 |
0,53 |
0,55 |
0,48 |
|
g– = g – g+ |
1,15 |
0,67 |
0,58 |
0,44 |
0,4 |
|
cos φ |
1,6665 |
1,8698 |
1,8774 |
1,8027 |
0,780 |
|
cos φ+ |
0,5829 |
0,65 |
0,69 |
0,74 |
0,75 |
|
cos φ– |
0,8058 |
0,7513 |
0,7239 |
0,6618 |
0,6818 |
|
|
54 |
50 |
46 |
42,20 |
42 |
|
|
36 |
41 |
44 |
49 |
47 |
|
|
90 |
91 |
90 |
91 |
89 |
