JP2000514756A

JP2000514756A - System and method for changing ice adhesion strength

Info

Publication number: JP2000514756A
Application number: JP11504644A
Authority: JP
Inventors: エフ．ペトレンコ，ビクター
Original assignee: トラスティーズオブダートマウスカレッジ
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2000-11-07
Also published as: BR9810527A; HK1029557A1; IL133302A; AU8072998A; CA2293399A1; EP0988229A2; WO1998057851A2; CN1352457A; CN1240081C; JP2006029774A; IL133302A0; EP0988229A4; CA2293399C; CN1260755A; CN1077062C; WO1998057851A3

Abstract

(57)【要約】本発明は、物体に付着した氷の氷付着強度を変えるためのシステムを含む。このシステムは、物体から電気的に絶縁される電極と、物体および電極に結合される、例えばバッテリなどのＤＣ源とを含む。ＤＣ源は、氷が回路を完成すると、氷と物体との間の界面にＤＣバイアスを生成する。物体は導電性であるか、または、半導体としてドープされる。そのため、ＤＣバイアスは、界面のバイアス電圧が実質的にゼロである場合の氷付着強度と比べて、氷付着強度を選択的に変える電圧を、界面に印加する。強度は、その静状態（即ち、印加電圧がない状態）に関して増加または減少され得る。この態様で、航空機の翼上の氷などの氷が、より小さい仕事で除去され得る。このシステムは、好ましくは、物体と電極との間に配置される電気的に絶縁性の材料を含む。この絶縁材料は、物体および電極と実質的に共形である。ほとんどの応用では、電極は、物体の表面に一致するような形状にされるグリッド電極を含み、グリッド電極の各点は、ＤＣ源と電気的に接触する。従って、グリッド絶縁体は概して、物体とグリッド電極との間に配置される。本発明は、航空機の翼、自動車のフロントガラス、スキーの底面、長靴または靴のかかと部または底部、および送電線の外側材料、などの物体に対して高い適用可能性を有する。本発明はまた、送電線の温度を融点のすぐ上の温度に自動調整するために送電線に付与される強誘電性、強磁性、または半導体コーティングを含む。 (57) SUMMARY The present invention includes a system for changing the ice adhesion strength of ice attached to an object. The system includes an electrode that is electrically isolated from the object and a DC source, such as a battery, coupled to the object and the electrode. The DC source creates a DC bias at the interface between the ice and the object when the ice completes the circuit. The object is conductive or doped as a semiconductor. Therefore, the DC bias applies a voltage to the interface that selectively changes the ice adhesion strength compared to the ice adhesion strength when the interface bias voltage is substantially zero. The intensity can be increased or decreased with respect to its static state (ie, no applied voltage). In this manner, ice, such as ice on an aircraft wing, may be removed with less work. The system preferably includes an electrically insulating material disposed between the object and the electrode. This insulating material is substantially conformal with the object and the electrode. For most applications, the electrodes include grid electrodes shaped to conform to the surface of the object, with each point of the grid electrode in electrical contact with a DC source. Thus, the grid insulator is generally located between the object and the grid electrode. The invention has high applicability to objects such as aircraft wings, automobile windshields, ski soles, boots or shoe heels or bottoms, and outer materials of power lines. The invention also includes a ferroelectric, ferromagnetic, or semiconductor coating applied to the transmission line to automatically adjust the temperature of the transmission line to a temperature just above its melting point.

Description

【発明の詳細な説明】氷付着強度を変えるシステムおよび方法関連出願本願は、本願と同一出願人が所有する、本願と同時係属中の、1997年６月16日出願の仮出願番号第60/049,790号、1998年３月27日出願の同第60/079,623号、および、1998年３月30日出願の同第60/079,915号の継続出願である。本明細書において、上記出願の各々を参考として援用する。政府ライセンス権米国政府は、本発明において、Army Research Officeにより与えられたGrant# DAAH04-95-1-0189の条件によりケえられるある特定の権利を有する。発明の分野本発明は、水と選択された材料との間の水付着強度を変える方法および装置に関する。具体的には、本発明は、氷とそのような材料との界面に電気エネルギーを付与して、氷付着強度を増加または減少させ、所望の結果を促進するシステムおよび方法に関する。背景ある特定の表面への氷の付着は、多くの問題点を引き起こす。例えば、航空機の翼に水が過剰にたまると、飛行機およびその乗客が危険にさらされる。船体上の氷は、航行困難、水および氷の中を航行するための追加電力の消費、ならびに、ある特定の危険な状態を引き起こす。自動車のフロントガラス上に形成される氷を擦り取る必要があることを、ほとんどの大人は、繰り返し行う面倒な仕事であると考えており、少しでも氷が残っていれば、ドライバーの視界および安全性が危険にさらされる。着氷および氷付着はまた、ヘリコプターの羽根、および公道についても問題点を引き起こす。氷雪の除去および制御には、数十億ドルの費用が費やされている。氷は、金属、プラスチック、ガラス、およびセラミックにも付着し、その他の日々の困難を引き起こしている。送電線への着氷もまた、問題である。着氷は送電線の重量を増加し、それにより、停電が起こり、直接費および間接費に数十億ドルの費用がかかる。従来技術において、氷付着を扱う方法には様々なものがあるが、ほとんどの技術は、何らかの形で擦り取るか、溶かすか、または砕くことを伴うものである。例えば、航空機産業では、エチルグリコールなどの除氷液を用いて、航空機の翼にかけ、翼の上の氷を溶かす。このプロセスは、費用がかかる上、環境上有害でもある。しかし、乗客の安全が危険にさらされることを理由に、この除氷液が使用されている。他の航空機は、航空機の翼の前部に沿って整列されたゴム管を使用し、それにより、この管を周期的に膨らませて、その上にあるいかなる氷をも砕く。さらに他の航空機は、ジェットエンジンの熱を翼に向け直して、氷を溶かす。これらの従来技術の方法は、制限および難点を有する。第１に、プロペラ推進式の航空機は、ジェットエンジンを有していない。第２に、航空機の翼の前部のゴム管は、空気力学的に効率的でない。第３に、除氷は、一回の付与につき＄２５００〜＄３５００という非常に高い費用がかかり、航空機によっては、１日に１０回までの回数塗布され得る。上で参照した問題点は概して、表面上に付着して形成されるという氷の性質から起こる。しかし、氷はまた、非常に低い摩擦係数を有しているという点で、難点を引き起こす。例えば、毎年、道路上の氷は、多数の自動車事故を引き起こし、人命を犠牲にするとともに、多くの財物損壊を引き起こしている。自動車のタイヤがもっと効率的に氷をとらえれば、おそらく事故はもっと少なくなるであろう。従って、本発明の目的は、氷付着強度を有益に変えるシステムおよび方法を提供することである。本発明の別の目的は、飛行機の翼、船体、フロントガラス、などの乗り物表面への氷付着を低減して、氷の除去を容易にするシステムを提供することである。本発明のさらに他の目的は、氷で覆われた道路と自動車のタイヤとの間、および、氷と靴底およびクロスカントリースキーなどのその他の物体との間の摩擦係数を増加するシステムを提供することである。上記およびその他の目的は、以下の説明において明らかになる。発明の要旨上で参照した問題点のうちある特定の問題点は、氷と、氷が形成される表面との間の氷付着強度が低減されれば、軽減される。例えば、氷と航空機の翼との間の付着強度が十分に低減されれば、風圧、バフェッティング、または手で行う軽いブラッシングにより、翼から氷が取り除かれる。同様に、氷と自動車のフロントガラスとの間の氷付着強度が低減されれば、フロントガラスを擦って氷を無くすことがはるかに簡単になる。上で参照したその他の問題点は、氷と、氷に接している表面との間の氷付着強度が増加すれば、軽減される。例えば、自動車のタイヤと凍結道路との間の氷付着強度が増加すれば、スリップが少なくなり、事故が減る。氷は、ある特定の物理特性を有し、その物理特性により、本発明は、導電（および半導電）表面への氷の付着を選択的に変えることが可能になる。第１に、氷は、電荷キャリアが電子ではなく陽子である半導体の小さな分類である、陽子半導体である。この現象は、氷内での水素結合の結果として起こる。水素結合が起こるのは、氷中の水分子の水素原子が電子を酸素原子と共有するからである。従って、固有に単一の陽子である水分子の核は、隣接する水分子との結合に利用可能なままである。典型的な電子ベースの半導体と同様に、氷は導電性である。この導電性は概して弱いものであるが、電荷を有する余分な粒子、即ち、氷の場合では陽子、を提供するかまたは受け入れる化学薬剤を付加することにより、導電性を変えることができる。氷の別の物理特性は、その蒸発性である。物質の蒸発性は、その物質表面の蒸気圧の関数である。ほとんどの材料では、蒸気圧は、液体−固体界面で急速に低下する。しかし、氷では、液体−固体界面で蒸気圧に実質的に変化がない。これは、氷の表面が液体状の層（「ＬＬＬ」）で覆われているからである。ＬＬＬは、重要な物理特性を有している。第１に、ＬＬＬは、数ナノメートルの厚さしかない。第２に、ＬＬＬの粘性は、凝固点または凝固点付近の温度でのほぼ水状の状態から、それよりも低い温度での非常に粘性の高い状態までの範囲にわたる。さらに、ＬＬＬは、−１００℃という低い温度で存在し、従って、地球の周りのほとんどの温度に関して実際に存在する。ＬＬＬはまた、氷付着強度の主要な因子である。例えば、氷の滑らかな表面を、飛行機の翼の滑らかな表面に接触させた場合、これら２つの表面間の実際の接触面積は、２つの表面間の界面の総面積の千分の１のオーダである。ＬＬＬは、ほとんどすべての接着剤の背後にある主要物質（principal）である、表面間の湿潤物質として機能し、表面間の有効接触面積を実質的に増加する。この接触面積の増加が、氷付着に強い影響を及ぼす。氷の半導電特性とＬＬＬとの組み合わせにより、氷とその他の表面との間の氷付着強度を選択的に操作することが可能になる。概して、氷片中の水分子は、ランダムに配向されている。しかし、表面では、分子は、外側または内側のいずれかに向かって実質的に同じ方向に配向されている。その結果、分子の陽子、および従って、正の電荷はすべて、外側または内側のいずれかに向いている。厳密な機構は知られていないが、水分子のランダム性は、ＬＬＬ内では規則正しい配向に遷移する可能性がある。しかし、実際には、この配列の結果、表面で高密度の正または負の電荷が生じる。従って、氷に接触する表面上で電荷が発生されれば、これら２つの表面間の付着を選択的に変えることが可能である。同極性の電荷が反発し合い、逆極性が引き合うため、氷と他の表面との界面に外部から付与される電気バイアスにより、氷と表面との付着が低減または強化される。１つの局面では、本発明は、氷と氷が形成される表面と間の界面にＤＣ電圧を印加するように接続される電源を提供する。例示として、導電表面は、航空機の翼または船体であってもよい（あるいは、構造に付与された塗料でもよい）。第１の電極は表面に接続し、非導電性即ち電気的に絶縁性の材料は、表面の上にグリッドとして付与され、第２の電極は、絶縁材料の上に、導電材料、例えば、導電塗料を、その表面に接触させずに付与することにより形成される。第２の電極の表面積は、システムにより保護される表面積全体と比べて小さい表面積であるべきである。例示として、保護されている表面積（即ち、「無氷」にしたい面積）は、第２の電極の表面積の少なくとも約１０倍であるべきである。１本以上のワイヤが、第２の電極を電源に接続し、１本以上のワイヤが、第１の電極を電源に接続する。表面と、導電性の第２のグリッド電極との上に形成される氷は、回路を完成する。次いで、表面への氷の氷付着強度を制御可能に変える電圧が、回路に選択的に印加される。電圧調整器サブシステムもまた、好ましくは回路に接続し、界面に印加される電圧を調節可能に制御し、そして、氷付着強度の制御を達成する。例示として、異なる濃度のイオンからなる氷は、氷付着強度が最小値である最適な電圧を変え得る。それにより、電圧調整器サブシステムは、最小値を選択的に変えることができる機構を提供する。その他のサブシステムは好ましくは回路に接続し、例えば水または氷が回路を完成するかどうかを検出するなどの、その他の特徴を提供する。１つの局面では、電源は、回路に電圧を与え且つ除氷電極に接続するＤＣ電源（例えば、バッテリ）である。別の局面では、ＤＣ電流計が回路に接続し、氷（即ち、表面と、第２のグリッド電極の任意の部分との上に形成されると、２つの電極を「短絡」する半導電層）のＤＣ導電率を測定する。別の局面では、ＡＣ電源が回路に接続し、約１０ｋＨｚと約１００ｋＨｚとの間のＡＣ電圧を選択的に生成する。別の局面によれば、ＡＣ電流計も回路に接続し、１０〜１００ｋＨｚの範囲内の周波数で氷のＡＣ導電率を測定する。さらに別の局面では、電流比較器が、ＡＣ導電率とＤＣ導電率とを比較する。従って、上記局面は、例えば、表面の上に形成された半導電層が、危険であり得る氷であるか、表面水であるかを識別できる回路を提供する。水のＡＣ導電率（上記範囲内での）と、ＤＣ導電率とは、実質的に同じである。しかし、氷に関しては、ＡＣ導電率と、ＤＣ導電率とは、２〜３オーダの大きさだけ異なる。この導電率差は、それぞれの電流計により測定され、電流比較器で比較される。導電率差が所定の設定点よりも大きくなると、電流比較器は、着氷アラームに信号を送る。例えば、この時点で、電圧調整器サブシステムは、回路に、および従って界面に、氷付着強度を十分に低減する所望の場強度でＤＣバイアスを付与するように動作し得る。本発明の１つの局面によれば、航空機の翼上に氷が検出されると、着氷アラームは、（ａ）氷の導電率を測定し、（ｂ）最小の（または最小に近い）氷付着状態に達するために適切なバイアス電圧を決定し、そして（ｃ）氷−翼界面にバイアス電圧を印加して氷の除去を容易にする、システム内のフィードバックループを開始する。当業者は、上記システムが、車のフロントガラス、船体、および送電線などの、氷付着強度を低減することが望ましい多くの表面に適用され得ることを認識するはずである。そのような場合、表面材料が弱い導電性であれば、十分に導電性になるように表面材料を「ドープ」することが望ましい。ドーピング技術は、当業者に公知である。例えば、自動市のタイヤには、ゴムを導電性にするために、ヨウ素がドープされ得る。同様に、自動車のガラスには、フロントガラスを許容可能な半導体にするために、ＩＴＯまたはフッ化物がドープされたＳｎＯ₂がドープされ得る。ただし、別の局面では、上記システムおよび回路はまた、氷付着強度を増加させることが望ましい場所に適用可能である。例えば、この局面では、着氷アラームが氷を検出すると、システムは、フィードバックループを活性化して、界面への印加ＤＣ電圧を調整し、氷付着を増大させる。このシステムにより利益を受け得る場所および表面には、例えば、凍結道路上にある、人の片方の靴（または一足の靴）の裏側の靴底、および自動車のタイヤ、などがある。さらに他の局面では、本発明は、氷と表面との間の氷付着強度の増加、次いで減少を選択的に行う可変氷付着／電圧制御サブシステムを含み得る。例示として、クロスカントリースキー（または、テレマーク用スキー）は、理想的には、斜面を登るとき（または、ある特定の状況では、斜面を降りるとき）により高い摩擦を有し、斜面を「スキーで」降りるときにより低い摩擦を有する。本発明の１つの局面によれば、本明細書において示される氷付着システムおよび回路は、回路内（in circuit）でスキーに取り付けられるため、操作者は、スキーの摩擦を選択的に調節可能に制御することができる。別の局面では、本発明は、氷が容易に除去されるように自動車のフロントガラス（または任意のウィンドウ）との間の付着強度を低減する方法論を提供する。この方法では、ウィンドウまたはフロントガラスは、ウィンドウを半導体にするよう（即ち、ウィンドウが導電性になるよう）ドープされる。第１の電極は、ウィンドウに取り付けられ、第２のグリッド電極は、フロントガラスと接触せずに、フロントガラスの上に浮遊される。例示として、第２の電極は、グリッド電極とフロントガラスとの間の電気的に絶縁性のグリッドに付与され得る。ユーザがウィンドウを通して見ることができるよう、この絶縁体および第２の電極は、好ましくは透明である。フロントガラス上に氷が形成されると、第２の電極およびウィンドウ（および従って、第１の電極）から、電流経路が作り出される。従って、氷は、ウィンドウの上およびグリッドの任意の部分の上に形成されると、回路を「短絡」する。次いで、本明細書において説明されるように、氷付着強度が低減されるよう、電極に電圧が印加される。電極の面積は、好ましくは、氷とフロントガラスとの界面の面積全体よりもはるかに小さい。さらに他の局面では、自動車のタイヤと凍結道路との間の摩擦係数を増加させる方法が提供される。高電圧ＡＣ電源は、道路とタイヤとの間の界面に電位が与えられるように自動車に接続される。典型的には、ＡＣは、約１ｋＨｚと約１０００ｋＨｚとの間の周波数を有する。電流がタイヤを通って流れるように、タイヤは、タイヤ内に炭素などの導電材料を配置して製造されるか、または、タイヤにヨウ素などがドープされる。次いで電位が選択され、そして付与されて、タイヤに対する氷の付着強度を増加させ、それにより凍結道路上でのタイヤの牽引力を増大する。本発明のその他の有用な背景は、以下の文献を参照して見いだされ得る。本明細書において、以下の文献の各々を参考として援用する。次に、本発明を、好適な実施形態に関してさらに説明するが、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者により様々な追加、除去、および改変がなされ得ることが明らかになる。図面の簡単な説明本発明のより完全な理解は、図面を参照することにより得られ得る。図１Ａ〜図１Ｄは、氷−空気および氷−金属界面付近の電荷密度ρ（ｘ）の空間分布をグラフで示す。図２Ａ〜図２Ｃは、ＤＣバイアスが、液体金属（水銀）への氷付着に与える影響を示し、より小さい接触角Θは、より強い付着を示す。図３は、図２に示されるような氷−水銀界面エネルギーの測定に用いられる氷マノメータを概略的に示す。図４は、０．５％のＮａＣｌがドープされた氷でＴ＝−１０℃の場合のＤＣバイアス対氷−Ｈｇ界面エネルギーの実験結果をグラフで示す。図５は、単位表面あたりの氷の遮蔽層の静電エネルギーＷ_e対表面電位Ｖ_s（Ｔ＝−１０℃）を示すグラフである。図６は、単位表面あたりの氷−金属界面の付着エネルギーＷ_aを、距離ｚの関数として示すグラフであり、曲線１、２、および３はそれぞれ、Ｄ欠陥、Ｈ₃Ｏ⁺ イオン、および陽子による完全占有に対応し（固定占有曲線）、曲線４は、陽子表面準位に関する、付着エネルギーの距離への平衡依存性を示す（Ｔ＝−１０℃ ）。図７は、Ｄ欠陥に関する表面準位の占有係数ｆを、表面準位のエネルギーＥ_s の関数として示すグラフである（Ｔ＝−１０℃）。図８は、本発明に従って構成される評価システムであって、ＤＣバイアスが、ステンレス鋼への氷付着に与える影響を測定するために用いられる評価システムを概略的に示す。図９は、図８のシステムで、可動鋼電極に電圧を印加せずに測定された、氷− ステンレス鋼界面についての剪断応力対時間をグラフで示し、ここで、氷サンプルは、蒸留水の０．５％ＮａＣｌ水溶液からできたものであり、１００μｍ／分の一定歪みレートの下で、−１０℃で試験した。図１０は、図８のシステムで、可動鋼電極に＋６．６Ｖを印加して測定された、氷−ステンレス鋼界面についての剪断応力対時間をグラフで示し、ここで、氷サンプルは、蒸留水の０．５％ＮａＣｌ水溶液からできたものであり、１００μ ｍ／分の一定歪みレートの下で、−１０℃で試験した。図１１は、図８のシステムで、可動鋼電極に−１．８Ｖを印加して測定された、氷−ステンレス鋼界面についての剪断応力対時間をグラフで示し、ここで、氷サンプルは、蒸留水の０．５％ＮａＣｌ水溶液からできたものであり、１００μ ｍ／分の一定歪みレートの下で、−１０℃で試験した。図１２は、図９および図１０のデータを用いて、＋６．６Ｖが界面強度に与える影響をグラフで示す。図１２Ａおよび図１２Ｂは、氷／鋼界面の相対強度を評価するために、−１０℃の０．５％のＮａＣｌがドープされた氷の実験データをグラフで示す。図１２Ｃは、氷／金属界面でのガス気泡の生成が、どのようにして、界面クラックとして界面強度を低減する機能を果たすかを示す。図１３は、ΔＷ_A＝Δ（Ｗ_i/a−Ｗ_i/Hg）と、電流Ｉ対ＤＣバイアスＶとを含む実験結果のグラフを示し、氷は０．５％ＮａＣｌがドープされた水からできたものであり、Ｔ＝−１０℃で、Ｗ_A（０）＝４００±１０ｍＪ／ｍ²である。図１４は、ΔＷ_A＝Δ（Ｗ_i/a−Ｗ_i/Hg）と、電流Ｉ対ＤＣバイアスＶとを含む実験結果のグラフを示し、氷は０．１８％ＨＦがドープされた水からできたものであり、Ｔ＝−１０℃で、Ｗ_A（０）＝３６０±１５ｍＪ／ｍ²である。図１５は、ΔＷ_A＝Δ（Ｗ_i/a−Ｗ_i/Hg）と、電流Ｉ対ＤＣバイアスＶとを含む実験結果のグラフを示し、氷は０．２％ＫＯＨがドープされた水からできたものであり、Ｔ＝−１０℃で、Ｗ_A（０）＝２９３±２５ｍＪ／ｍ²である。図１６は、Ｔ＝−１０℃での．、ＫＯＨの０．２％溶液からできた氷試料についての電流対時間を含む実験結果のグラフを示し、ここでは、水銀に−１Ｖを印加した。図１７は、一般的な導電性（または半導体）材料への氷付着を変えるための、本発明に従って構成される１つのシステムを示す。図１７Ａは、図１７のシステムの断面図（一定の縮尺ではない）を示す。図１８は、航空機の翼上に形成される氷の氷付着強度を減少させるための、本発明の１つのシステムを示す。図１９は、航空機の翼の上に形成するための、本発明に従って構成される導電塗料／絶縁ラッカーグリッドを示す。図２０は、航空機の翼に付着した氷の氷付着強度を変えるための、本発明の１つの他の実施形態を示す。図２１は、自動車のタイヤと凍結道路との間の水付着強度を変えるための、本発明により構成されるシステムを概略的に示す。図２２は、自動車のタイヤと凍結道路との間の界面に電圧を与えて、タイヤと凍結道路との間の摩擦係数を増加させるための、本発明により構成される１つの他のシステムを示す。図２３は、自動車のフロントガラスに付着した氷を変えるためのシステムを示し、図２３Ａは、別の実施形態を示す。図２４は、送電線への氷付着を低減するための、本発明の１つの実施形態を示し、図２４Ａは、本発明に従って構成される送電線の断面図（一定の縮尺ではない）を示す。図２５は、スキーへの氷付着を選択的に変えて雪および／または氷に対する摩擦を増加または減少させるための、本発明の実施形態を示す。図２６は、靴の底および／またはかかとへの氷／雪付着を増加させて靴の牽引力を増加させるための、本発明に従って構成される靴のかかとおよび底を示す。図２７は、送電線へのコーティングの付与により、送電線から氷および雪を除去するための、本発明の１つのシステムを示す。図２８は、非活性表面から氷を除去するための、本発明による、非活性表面への強誘電性コーティングの付与を示す。図面の詳細な説明本発明は、氷と材料との間の界面へのＤＣバイアスの付与により、金属および半導体、などの材料への氷付着強度を変えるシステムおよび方法を含む。従って、本発明は、そのような材料への氷の付着を低減し、そして場合によっては、無くすために用いることができる。ある特定の実施形態では、本発明は、水と金属との間の結合を形成する静電相互作用を変える。この相互作用は、氷と金属との間にわずかなＤＣ（直流）バイアスを付与することにより効果的に変えられる（低減または強化される）。実験および理論計算により、氷表面が１０^-2Ｃ／ｍ²〜３・１０^-2Ｃ／ｍ²の高密度電荷を有することが分かっている。Petrenkoら、Generation of Electric F ields in Ice and Snow Friction 、J．Appl．Phys.、77(9):4518-21(1995)、Pet renko、A Study of the Surface of Ice ，Ice/Solid and Ice/Liquid Interface s with Scanning Force Microscopy 、J．Phys．Chem．B、101、6276(1997)、およびDoschら、Surface Science 366、43(1996)を参照されたい。本明細書において、上記文献の各々を参考として援用する。この電荷密度は、氷表面下層の水分子の強い分極から生じる。これらの現象は、図１にさらに示される。図１Ａ〜図１Ｄは、分子分極Ｐと、空間電荷密度ρとの間の関係を、氷−空気界面（図１Ａ〜図１Ｃ）または氷−金属界面（図１Ｄ）からの距離の関数として示す。図１Ｄでは、金属に誘導される電荷は、氷の電荷と大きさが等しく、符号が反対である。図１の横軸１０は、遮蔽長としての「Ｌ」に対する距離ｘを示す。図１Ａはまた、表面付近の水分子分極Ｐを（縦軸１２ａに沿って）示し、図ＩＢは、遮蔽を伴わない場合の分極電荷ρ（ｘ）＝−ｄＰ／ｄｘの電荷密度ρを（縦軸１２ｂに沿って）示す。図１Ｃは、分極Ｐの電荷密度ρを（縦軸１２ｃに沿って）示すが、これは、小数の電荷キャリアによる追加の遮蔽を伴う場合である。図１Ｄは、氷−金属界面付近の氷中の電荷密度ρ（データ１４ａ）と、同じ界面付近の金属または誘電材料中の電荷密度ρ（データ１４ｂ）とを（縦軸１２ｄに沿って）グラフで示す。氷表面電荷と、固体に誘導される電荷との間の相互作用が、氷−固体界面の強度に影響を及ぼす。概算では、２つの平面電荷（plane surface charges）の静電誘引（負圧Ｐ_el）は、以下の式で表される。ここで、ε_Oは、真空の誘電率であり、Ｅは、電荷間の空間での電場強度である。図１Ｄに示される電荷分布により、２つの材料の接触電位Ｖ_cが決まるため、Ｅを、Ｖ_c／Ｌであると推定することができる。ここで、Ｌは、氷および固体中にある平面電荷（plane charge）間の距離である。氷−金属界面のＶ_cは、十分の数ボルトから約１Ｖの範囲にわたる。Buserら、Charge Separation by Collis ion of Ice Particleson Metal:Electronic Surface States 、Journal of Glaci ology、21(85):547-57(1987)を参照されたい。本明細書において、上記文献を参考として援用する。波数誘電率）、およびＶ_c＝０．５Ｖ（接触電位の典型的な大きさ）であるとすｐａでの氷のマクロ（macroscopic）引っ張り強度に匹敵するがこれを越える大きさである。Schulsonら、A Brittle to Ductile Transition in Ice Under Ten sion 、Phil．Mag.、49、353-63(1984)を参照されたい。本明細書において、上記文献を参考として援用する。実際の空間−電荷分布および電荷緩和計算を用いた、氷表面電荷と金属との間の静電相互作用エネルギーのより高度な計算が、以下に示される。具体的には、この相互作用エネルギーが、−１０℃で０．０１〜０．５Ｊ／ｍ²であることが、以下に示される。下限である０．０１Ｊ／ｍ²は、純粋な氷に対応し、上限値である０．５Ｊ／ｍ²は、強濃度のドープに対応する。これらの値は、走査力顕微鏡（scanning for cemicroscopy）（「ＳＦＭ」）を使用した、以下に示されるその他の実験結果に匹敵する。ＳＦＭの結果により、静電相互作用エネルギーは０．０８±０．０１２Ｊ／ｍ²であると判定されたが、氷／金属付着のその静電部分に関して、氷／水銀界面での実験では、０．１５０＋／−０．０１５Ｊ／ｍ²に戻る。静電相互作用が氷付着に寄与するため、氷と導電材料（例えば、金属または半導体）との間の付着強度は、氷−材料界面に付与される外部ＤＣバイアスにより変えられる。ＤＣバイアスが氷付着に与える影響を判定するために、界面を、固体−固体界面ではなく、液体−固体界面としてモデル化した。実際に、付着を決定する界面エネルギーは、水−金属の場合と同様に、一方の材料が液体で他方が固体であるときの接触角実験で確実に測定される。従って、金属が液相である場合、氷−金属界面に、同様の技術が用いられる。例えば、−３８．８３℃の融点と、低い化学活性とを有し、且つ、清浄な表面を作りやすい水銀は、このモデルを証明するのに非常に適している。わずかなＤＣバイアスが水銀への氷の付着に与える影響が、図２Ａ〜図２Ｃに示される。図２Ａは、水銀１８の氷２０への初期付着を示し、付着強度は、Θ₀で表される。従って、Θ₀は、印加電圧がない状態（即ち、Ｖ＝０）での付着強度を表す。一方、図２Ｂは、ＤＣ電圧源２２により供給される−１．７５Ｖを印加したときに起こる、結果として得られる付着強度Θ₁を示す。電圧源２２は、例えば、バッテリであってもよく、当該分野において公知のその他の電圧源であってもよい。配線２４は、電圧源２２を、水銀１８および氷２０に接続し、回路を完成する。図２Ｃは、電圧源２２により提供される−５Ｖの印加電圧の結果として生じる別の付着強度Θ₂を示す。注目すべきは、印加電圧が０Ｖ（図２Ａ）から−１．７５Ｖ（図２Ｂ）に、そして−５Ｖ（図２Ｃ）に変わるとしても、Θ₂＜Θ₀＜ Θ₁であることであり、小さい範囲の負電圧差による付着強度の大幅な変化を示す。付着強度Θ₁は、Θ₂と比べて、または、Θ₀と比べても、比較的「弱い」付着を示す。一方、付着強度Θ₂は、Θ₁およびΘ₀と比べて、比較的「強い」。図２の氷−水銀界面１６の表面張力を測定するために、氷マノメータ２６（図３に概略的に図示）を用いた。図２の電源２２に、ＤＣ電源２２’を用いた。電流の流れを測定するために、マノメータ回路２６にＤＣ電流計２８を配置した。電源２２’は、回路内で、水銀１８’と、氷２０’に接続された網状電極３０とに接続する。従って、回路２６は、水銀１８’および氷２０’を通る電流の流れにより完成される。水銀１８’は、選択された直径の小型毛管３２を通して、氷２０’と流体連通している。ＤＣバイアスが変わると、水銀１８’と氷２０’との間の氷付着が変わり、重力による力により、氷２０’内（即ち、氷２０’内に上方向に延びる毛管３２内）での水銀１８’の高さ「ｈ」が調節される。具体的には、毛管３２内での水銀１８’の平衡位置ｈは、以下の通りである。ここで、ｇは重力加速度であり、ｒは毛管半径であり、ρは水銀の密度であり、Ｗ_i/aは氷−空気界面の表面エネルギーであり、Ｗ_i/Hgは水−Ｈｇ界面の表面エネルギーである。ｈが測定されると、式（２）を用いてＷ_i/Hgを計算し、そしてそれにより、液体金属（水銀）への氷の付着強度を計算する。図３では、毛管の半径ｒは、試験中、０．２５または０．５ｍｍであった。図２および図３の構成内などでの追加実験は、９９．９９９８％の純粋な電子グレードの水銀および多結晶氷を含む。この多結晶氷は、非常に純粋な脱イオン水、蒸留水、未処理の水道水、および、低濃度のＮａＣｌまたはＫＯＨまたはＨＦがドープされた脱イオン水からできたものである。実験は、−２０℃〜−５℃ 、±２℃の温度範囲の低温の部屋内で行われた（ほとんどの試験は、−１０℃および８９〜９１％の相対湿度で実施された）。ドープされた氷の場合、ＤＣバイアスが氷−水銀界面エネルギーに強い影響を及ぼしたことが分かった。エネルギー変化Δ（Ｗ_i/a−Ｗ_i/Hg）の大きさおよび符号は、バイアスの極性および大きさと、ドーパントの種類および濃度とに依存する。例えば、図４は、０．５％のＮａＣｌがドープされた氷について、Ｔ＝−１０℃で測定されたΔ（Ｗ_i/a−Ｗ_i _/Hg ）対バイアスｖを示す。示されるように、バイアスは、水銀への氷の付着を低減または強化し得る。約−１．７５Ｖで最小付着強度に達したが、−２Ｖから −６Ｖまで、付着強度は増加した。界面エネルギーの影響は、０．０５％よりも高いＮａＣｌ濃度の場合に、より顕著である。より低濃度のＮａＣｌの場合、または、水道水からできた氷の場合、低いＤＣバイアスを付与したとき、付着強度はほとんど変わらず、再現性は弱かった。一方、０．５％のＮａＣｌがドープされた氷の場合、水銀は、電圧バイアスが付与されるとすぐに移動し、その影響は、完全に可逆的であった。即ち、バイアスを遮断した後、Ｗ_i/Hgが回復された。これらの結果は、再現可能であり、容易に観察される。毛管半径ｒ＝０．２５ｍｍの場合、ｈの最大変化は、１２ｍｍであった。電流−電圧特性の測定はまた、上述の付着強度の変化を引き起こすのが、電流ではなく、電圧であることを示す。例えば、典型的な実験では、数十μＡの電流強度を生成し、推定温度変化レートは、１０^-6℃／ｓ未満であった。ＫＯＨまたはＨＦがドープされた氷では、ＤＣバイアスの付与は、Ｗ_i/Hgの近対称の減少を引き起こした。この減少の大きさは、ＮａＣｌがドープされた氷で見られた減少に匹敵するものであった。４０Ｖまでの振幅および１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数範囲のＡＣ電圧の印加では、Ｗ_i/Hgにいかなる顕著な変化も起こらなかった。純粋な脱イオン水または蒸留水の場合も、４０ＶまでのＤＣバイアスの付与では、Ｗ_i/Hgに顕著な変化は起こらなかった。従って、非常に純粋な氷の金属への付着を変えるためには、１ｋＶ〜３ｋＶが必要である。純粋な氷およびドープされた氷のＤＣバイアスに対する反応が異なるのは、これらの氷の遮蔽長および電気緩和時間が異なることに起因すると考えられる。上記実験により、氷−金属界面上の電気二重層が水付着において果たす重要な役割が確認される。Ｗ_i/Hgの大きさの絶対値は、固体水銀の場合にはわずかに異なり得るが、静電相互作用は、両方（液体Ｈｇおよび固体Ｈｇ）の場合に本質的に同じである。金属への氷付着が、氷と金属との間へのわずかな電位差の付与により効率的に変えられることも、実験により示された。付着強度の変動はまた、ＤＣバイアスが、異なる不純物を含む氷に付与される場合、異なる固体金属に付与される場合、および異なる温度で付与される場合にも起こる。発明者はまた、氷の表面上の陽子電荷キャリアの表面準位の存在に基づく氷付着の静電モデルについても研究してきた。１分子間距離よりも大きい距離では、モデルは、付着エネルギーについて、化学結合エネルギーおよびファンデルワールス力のいずれよりもかなり大きい大きさのオーダを与える。このモデルはまた、氷の付着特性と水の付着特性との違い、氷とその他の固体との間の結合の物理的機構、ならびに、氷と様々な固体との間の分子結合の性質および強度を説明する、時間依存性および温度依存性の現象の理解を与える。結合機構を、共有または化学結合機構、電磁相互作用（ファンデルワールス力）の分散もしくは変動（fluctuation)、または直接静電相互作用、という３つのグループの１つに分類することが妥当である。例えば、Israelachvili、Int ermolecular and Surface Forces 、2nd ed.、Academic Press:London、Ch．2(19 91)を参照されたい。本明細書において、上記文献を参考として援用する。最初の機構は、化学反応と、界面化合物の形成とに対応する。共有または化学結合では、付着エネルギーは、相互作用する固体の波動関数の重なりに起因する、系の量子力学エネルギーの低下の結果として起こる。そのような相互作用は、０．１〜０．２ｎｍのオーダの距離でのみ不可欠である。さらに、このタイプの付着は、付着固体の化学的性質に非常に敏感である。完全な接触では、化学結合機構は、≦０．５Ｊ／ｍ²の付着エネルギーを提供し得る。この値は、化学結合機構の付着エネルギーの最も低い値であると考えられる。化学結合とは異なり、ファンデルワールス力は、長距離（long-range）であり、すべての物質間で作用する。この力は、固体のマクロ特性（異なる周波数での誘電関数）によってのみ規定され、この理由のため、この力は、実験条件にかなり鈍感である。例えば、Mahantyら、Dispersion Forces、Academi cPress、Lond on、Chapter 9(1976)；Barashら、The Dielectric Function of Condensed Syst ems 、 Keldyshら編、Elsiever Science、Amsterdam、Chapter 9(1989)を参照されたい。本明細書において、上記文献の各々を参考として援用する。補償されないまたは空間的に分離される電荷を含む２つの固体はまた、化学結合および分散力に加えて、静電力も発生する。この静電力の重要性および付着に対する重要性が、近年、再発見された。Stonehamら、J．Phys．C:Solid State P hysics，18、L543(1985)、およびHays、Fundamentals of Adhesion、Lee，Lee編、Prenum Press、New York，Chapter 8(1991)を参照されたい。本明細書において、上記文献の各々を参考として援用する。氷の付着特性のモデル次に、氷の表面の電気特性を示すために、モデルを作る。このモデルは、氷付着と氷のその他の特性との間の関連を明らかにする。このモデルを、ファンデルワールス力、化学結合機構、および実験結果と比較する。以下に説明されるモデルの主な結論は、静電相互作用が、氷付着において主要な役割ではないにしても、有意な役割を果たすということである。モデルにおける１つの重要なパラメータは、氷−固体界面に隣接する水分子の配列のパラメータである。即ち、言い換えれば、陽子電荷キャリアの表面準位の出現のパラメータである。これにより、問題点は、固体表面での水分子挙動をシミュレートする問題点になる。しかし、以下の説明では、陽子点欠陥により占有され得る表面準位が存在すると仮定する。この表面準位の占有は、捕獲された電荷キャリアのクーロンエネルギーと、表面準位のエネルギー深度との間の相互作用により規定される。次いで、表面準位の占有係数（非平衡の場合）または表面準位のエネルギー深度のいずれかが、パラメータとして考慮される。氷は、氷の誘電率とは異なる誘電率を有するいかなる固体基質（substrate）とも強く相互作用する極性水分子を含む。さらに、氷における表面電荷の存在については、理論的および実験的証明がある。この表面電荷もまた、基質と相互作用し得る。ここで、表面電荷が、氷表面による陽子電荷キャリアの捕獲から生じると仮定する。捕獲された欠陥は、おそらく、Ｄ欠陥、Ｈ₃Ｏ⁺イオン、または、陽子である。陽イオンのサイズは、陰イオンよりも小さい。なぜなら、陽イオンは、より少ない電子を有しているか、または、電子を全く有しておらず、陽子として存在するからである。従って、短距離については、鏡像電荷理論を用いることができる。ここでは、電荷のポテンシャルエネルギーおよびその鏡像（image ）は、氷内の電荷エネルギー未満であり得る。より大きいサイズの陰イオンは、これに、より達しにくい。熱平衡では、表面準位の占有は、完全ではない。なぜなら、捕獲された電荷キャリアに起因するエネルギーのゲインが、静電エネルギーの上昇により補償されるからである。しかし、静電エネルギー自体は、（誘導された電荷による）基質内部の電荷再分布により大幅に低減され得る。これは、表面準位の完全な占有と、かなり高い付着エネルギー（静電エネルギーに近い）とにつながり得る。氷の表面下層における電荷キャリアの空間分布が、以下に説明される。ボアソンの式の第１積分は、以下の形で表すことができる。ここで、ＥおよびＶはそれぞれ、電場強度および静電位であり（これらはともに、空間座標ｚの関数である）、σ_O＝ｅ_B・λ・Ｎであり、ｅ_Bは、ビエルム欠陥のり、ｋおよびＴはそれぞれ、ボルツマン定数および温度である。関数ｆ（Ｖ）は、以下の式で規定される。ここでは、ビエルム欠陥を、表面準位で捕獲される電荷キャリアとして用いている。式（３）は、氷晶のいずれの点にも当てはまる。この式を氷表面に適用すると、表面電荷密度σ_Sと、表面電位Ｖ_sとの間の関係σ_S＝σ_Oｆ（Ｖ_s）が得られる。次に、式（３）〜（６）を用いて、氷の付着エネルギーへの静電の寄与を計算することができる。まず、表面電位の関数としての、氷の遮蔽層の静電エネルギーを計算する。なぜなら、この静電エネルギーが、付着エネルギーの上限を与えるからである。静電エネルギーの定義と、式（３）とを用いると、以下の式が得られる。Ｗ_e対Ｖ_sのグラフが図５に示される。ビエルムＤ欠陥、陽イオン欠陥Ｈ₃Ｏ⁺、０Ｖ、および５．１３Ｖの値を与える。図５によれば、Ｈ₃Ｏ⁺オン、ビエルム欠陥、および陽子による表面準位の完全な占有はそれぞれ、付着エネルギーの上限０．８Ｊ／ｍ²、０．３２Ｊ／ｍ²、および１．３５Ｊ／ｍ²に対応する。それよりも小さい値は、不完全な占有の場合である。表面電荷密度と表面電位との間の関係を用いて、エネルギー対表面電荷密度が計算される。次に、氷表面から距離ｄだけ離れた金属プレートについて考える。氷中の不均一な電荷分布は、金属上の表面電荷を誘導し、従って、氷と金属プレートとの間に電場を誘導する。単位面積あたりの系の総静電エネルギーは、以下の形で表すことができる。ただし、式（８）のＶは、距離ｄの各値についてエネルギーの最小化から得なければならない氷の表面電位である。表面電荷密度は、おそらく間違いなく表面準位の非平衡占有に対応する定数であると考えることができる。Ｗ_e（ｄ，Ｖ）についての最小化手順を行えば、ｄの関数としての単位面積あたりの付着エネルギーが得られる。Ｗ_a(d)=Ｗ_min(d)−Ｗ_min(∞) (9) ビエルムＤ欠陥、陽イオン欠陥Ｈ₃Ｏ⁺、および陽子による完全占有の同じ場合について、この関数が図６に示される。ビエルムＤ欠陥、陽イオン欠陥Ｈ₃Ｏ⁺、および陽子による完全占有が、それぞれデータ曲線１、２および３として示される。平衡条件下では、氷の表面電荷密度は、距離ｄの減少とともに増加する。これは、金属プレート上の誘導された電荷が氷表面電荷を遮蔽するためである。実際に、この場合、捕獲された電荷キャリアのクーロンエネルギーは減少し、従って、より高い占有が可能になる。この場合を考えるときには、まず、静電エネルギーと、表面準位の占有に起因するエネルギーゲインと、表面欠陥のエントロピー寄与とを合計しなければならない。ここで、Ｅ_Oは、表面準位のエネルギーであり（Ｅ_O＝−０．５ｅＶであるとする）、σ_m＝ｅ／Ｓであり、Ｓは、１水分子の表面積である。次いで、自由エネルギーＦを、Ｖおよびσに対して最小にする。この手順ではまた、氷バルク（ice bulk）の化学ポテンシャルが一定に保たれ、且つ、ゼロに等しいと仮定する。ｄのすべての値についてそのようにすることにより、距離または平衡付着エネルギーの関数としての平衡自由エネルギーが得られる。これも、図６に示される（曲線４、陽子の場合）。同様の手順により、表面準位のエネルギーＥ_Oまたは温度の関数としての、氷の表面準位または表面電位の平衡占有を得ることが可能になる。金属プレートが氷表面から無限に遠く離れていると仮定する。そして、式（８）の最初の正の要素を最小にするために、σ＝σ_Oｆ（Ｖ）であると仮定する。この場合、Ｆは、Ｖまたはσのいずれか１つのパラメータだけの関数になる。Ｖに対する最終的な最小化を行う方が幾らか簡単であるが、結果は、σとして再計算され得る。プロットされたＤ欠陥での表面準位の占有係数対表面準位のエネルギーが、図７に示される。表面準位のエネルギー準位は、バルク中のＤ欠陥の化学ポテンシャルに関して測定される。図５〜図７の結果から分かるように、付着エネルギーの典型的な値は、電荷キャリアの種類と、その表面準位のエネルギーとに依存して、１．３Ｊ／ｍ²と０．０８Ｊ／ｍ²との間にある。この大きさは、−２０℃で実験測定された氷−金属界面の付着エネルギーに匹敵するか、または、それよりも高い。実際には、付着エネルギーは、化学結合機構と同じくらい高いが、後者の場合とは異なり、静電機構は、より大きい距離（約１０・ｒ_oo、ｒ_oo＝０．２７６ｎｍ）まで有意なままである。従って、ｒ_ooよりも大きい距離では、静電機構は、化学結合機構よりも極めて重要である。従って、ｒ_ooよりも大きい距離では、Hamaker定数が３・１０^-20Ｊに等しければ、静電エネルギーは、ファンデルワールス力の静電エネルギーを越える。尚、最後の推定は、氷−氷（または、水−水）界面に関するものであって、図６の曲線１、２、３および４のように氷−金属界面に関するものではない。同様に長距離である、氷と金属との間のファンデルワールス相互作用についても、考えることができる。０．０１Ｊ／ｍ²に等しく、長距離特性を示す。非平衡分離実験の場合の付着エネルギーは、付着実験の場合よりも高い値であるべきである。後者は、氷と金属とが接しているときの金属プレートによる静電エネルギーの効率的な遮蔽により説明できる。従って、平衡実験における、距離による付着エネルギーの挙動は、容易に理解される。小さい距離では、金属プレートが静電エネルギーを遮蔽し、高い付着エネルギーがある。なぜなら、表面準位の占有が大きいからである。しかし、距離が増加すると、静電エネルギーも増加し、より低い占有係数およびより低い表面電荷密度につながる。例示として、図６の曲線３、２および１を比較する。これらの曲線は、一定の占有の場合と比べて、自由エネルギーが距離とともにより急速に減衰することに等しい。表面準位のエネルギーＥ_Sの関数としての占有係数（Ｄ欠陥に関する表面準位Ｖであるとき、ゼロに近い。電荷キャリアが正エネルギーの表面準位に捕獲される１つの理由は、自由エネルギーのエントロピーゲインに関係がある。同じ理由で、氷バルクに欠陥が存在する。尚、バルクＤ欠陥の場合、「形成エネルギー（ creation energy）」は、欠陥１個あたり０．３４ｅＶに等しく、このエネルギーは、０．１ｅＶよりもかなり大きい。最終的に、これは、バルク状態の場合、３・１０^-7のオーダの「占有係数」につながる。時間依存性の現象はまた、氷付着に関連し得、この現象は、上記モデルにおいて固有のものである。表面準位に入るまたは表面準位から出るためには、欠陥は、何らかの静電バリアを克服しなければならず、これは、非平衡状態および時間依存性の現象につながる。このモデルの１つの重要な要素は、氷表面電荷と金属において誘導される電荷との間の静電誘引である。これは、誘導される電荷の大きさが異なることを除いて、氷−絶縁体界面にも当てはまる機構である。氷表面上の電荷ｑは、金属において「鏡像電荷」−ｑを誘導するが、同じ電荷ｑは、絶縁体では、以下の関係に従って、より小さい「鏡像」電荷ｑ’を誘導する。ここで、εは、絶縁体の誘電率である。ほとんどの固体誘電体では、εは、１よりもはるかに大きく、誘導される電荷は、金属において誘導される電荷に匹敵する。εがより小さければ、静電に関連する付着は、より小さい。例示として、テフロンは、誘電率ε＝２．０４を有しており、氷への付着が低いことが周知である。氷が水よりも高い付着性を有する理由を考えることが有用である。水の電荷キャリアの濃度がより高いため、水の表面電荷（存在する場合）の遮蔽は、氷よりも有効である（対応する初期静電エネルギーは、氷よりもはるかに小さい）。従って、基質による電場の遮蔽では、エネルギーを大幅に低下させることができない。尚、氷の融点に近い温度では、水−固体界面に、薄い液体層が現れ得る。Da shら、Rep．Prog．Phys．58、115(1995)を参照されたい。本明細書において、上記文献を参考として援用する。従って、モデルは、表面を予め融解させることが氷付着に与える影響を含むように更新され得る。氷付着の上記静電モデルは、氷の表面の電気特性と、氷付着との間の関係を示す。このモデルは、付着エネルギーの大きさの正しいオーダを与える。氷と金属との間の静電相互作用は、分子間距離よりも大きい距離で、化学結合エネルギーおよびファンデルワールス力よりもかなり高いエネルギーを供給する。このモデルはまた、氷および水の付着特性の差を説明する助けとなる時間依存性および温度依存性の現象を理解する直観的な方法を提供する。ＤＣバイアスがステンレス鋼への水付着に与える影響次に、ＤＣバイアスが固体金属への氷付着に与える影響について考える。実験目的のために、図８に示されるシステム５０を用いた。鋼管５２間の空間を、０．５％のＮａＣｌ水溶液で満たし、次いで、システム５０を、−１０℃の温度の冷蔵室に入れた。多数のシステム５０もまた、塩水で満たした。この水の塩度は、普通の海水の塩度に近かった。試験前、すべてのサンプルを、冷蔵室の中に３時間入れたままにした。この時間は、水が凍り、且つ、形成された氷の内部応力が緩和するのに十分な時間である。サンプルに（力５８を付与し、ロードセル５６を介して）１００μｍ／分の一定の歪みレートで荷重を付与したとき、氷−鋼界面５４の最大剪断強度が測定された。荷重付与の初めに、ステンレス鋼管５２の間に−２１Ｖ〜＋２１Ｖの範囲のＤＣバイアスを付与し、これを維持した。テフロンキャップ６０により、氷に対する内側管５２ａの移動を可能にした。実験中、ＤＣ電源６３により、ＤＣバイアスを提供した。プラットフォーム６４により、システム５０を支持した。絶縁ボール６６により、ロードセル５６を、システム５０の残りから熱的および電気的に切り離した。機械試験中、電流、荷重および温度を、コンピュータハードドライブに記録した。データ記録には、データ収集ボードDAS-1800およびLab Viewソフトウェアを用いた。氷付着は、塩濃度に非常に敏感であるため、この濃度を、試験後のサンプルの融解物において測定した。前後に、ステンレス鋼管５２の表面を穏やかな研磨剤を含む洗浄装置で洗浄し、まず蒸留水、メタノールですすぎ、そして再び蒸留水ですすいだ。清浄手順と、塩濃度の制御とは、データ再現性のために重要である。電源６３からのＤＣ電力の付与が氷温度の変化を引き起こすかどうかを判定するために、数回の試験において、鋼管５２の間の氷６２に熱電対（図示せず）を配置した。これらの試験の精度内（±０．０５℃）では、温度変化は見られなかった。図９は、ゼロＤＣバイアス下で氷−鋼界面を試験した場合の典型的な荷重対時間図の結果を示す。荷重が、最大値に達し、次いで、界面が壊れると低下していることが分かる。一定の歪みレートに対するサンプルの残留抵抗は、塩分を含む氷上での鋼の粘性摺動によるものである。依然として、ＤＣバイアスの付与は、界面の最大強度と、氷−鋼試料の残留抵抗との両方を大幅に変え得る。図１０は、内側（可動）管５２ａに＋６．６Ｖを付与した場合の、氷−鋼界面で行われた典型的な機械試験の結果を示す。図１１は、可動電極に−１．０Ｖを付与した場合の、図１０と同様の結果を示す。ＤＣバイアスが界面強度に与える影響を示すために、図９および図１０を合わせて図１２に示している。そのような試験の結果を、以下の表１にまとめている。表１は、試験した電圧に関して、 τ_maxの大幅な減少が観察されたことを示す。この影響は、Ｖ＝＋６．６ボルトの場合に特に大きい。表１：０．５％ＮａＣlがドープされた氷でＴ＝−１０℃での氷−鋼界面の最大界面強度τ_maxおよび残留剪断強度τ_res 最近のほとんどの試験において、図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるように、電極にＶ＝−２１Ｖを印加すると、氷／鋼界面の相対強度の大きさがほぼ１オーダだけ低減され得ることが分かった。σ₀は、Ｖ＝０での界面強度であり、σは、Ｖ≠０に対応する。氷付着のそのような劇的な低下を説明するためには、静電相互作用以外の因子が必要である。即ち、ＤＣ電流が氷を通って流れると、氷の電気分解のため、水素ガス（Ｈ₂）および酸素ガス（Ｏ₂）が、小さい気泡の形熊で、氷／鋼界面にたまる。図１２Ｃに示されるように、これらの気泡６７は、（氷６９と金属７１との間の）界面に荷重が付与されると現れる界面クラックの発生において役割を果たし、最大界面強度を低減する。水銀への氷の付着に関する追加試験と注釈以前に説明されたように、図１および図２は、小さいＤＣバイアス（−６Ｖ〜＋６Ｖ）が水銀への氷付着に与える強い可逆的な影響を示す。この影響は、ＫＯＨ、ＨＦおよびＮａＣｌがドープされた氷において観察され、脱イオン水からできた非常に純粋な氷には、この影響はなかった。４０ＶまでのＡＣ電圧は、氷付着にいかなる顕著な変化も引き起こさなかった。この章では、氷−Ｈｇ界面に付与される低ＤＣバイアスが、界面エネルギーと付着の仕事とに与える影響についてさらに述べる。この章では、長距離静電相互作用による氷−金属界面エネルギーの部分（fraction）についても述べる。上記のように、固体−固体界面の代わりに、液体−固体界面を用いた。実際には、付着を決定する界面エネルギーは、水−金属の場合のように、一方の材料が液体で他方の材料が固体である場合に、接触角実験において高い信頼性で測定される。金属が液相である場合、氷−金属界面に同様の技術を使用することができる。融点が−３８．８３℃であり、化学活性が低く、そして清浄な表面が容易に調製される水銀は、そのような実験に非常に適している。電子グレードの９９．９９９８％の純粋な水銀を用いるとともに、１）非常に純粋な脱イオン水、２）蒸留水、３）未処理の水道水、または４）低濃度の研究室グレードのＮａＣｌ、ＫＯＨまたはＨＦがドープされた脱イオン水からできた多結晶水を用いた。ほとんどの実験は、Ｔ＝−１０℃および相対湿度８９％〜９１％の大きい冷凍室で行った。幾つかの実験は、−５℃、−１５℃および−２０ ℃の温度で行った。温度制御は、±０．２℃であった。氷−水銀界面の表面張力を測定するために、２つの技術を用いた。実証の目的で、第１の技術は、図２に概略的に示されるような、平坦で滑らかな氷表面上の水銀液滴を用いる従来の接触角法である。接触角測定を行う前に、氷表面を、ミクロトーム機で平滑化し、光学的に平滑な石英プレート上で研磨した。第２の技術は、氷−水銀界面の場合にはより高精度で再現性が高い図３のマノメータシステムを用いた。純水またはドープされた水を石英管３１に入れ、Ｔ＝ −１０℃の冷凍室で凍らせた。石英管３１は、１０ｍｍの内径を有し、ステンレス鋼の円筒形網状電極３０と、管の軸に沿って伸ばした細いステンレス鋼ワイヤとを含むものであった。水を凍らせた後、ワイヤを慎重に取り出して、非常に平滑な壁を有する細い円形毛管３３を作った。毛管の半径ｒは、０．５ｍｍまたは０．２５ｍｍのいずれかであった。表面張力測定の前に、水銀タンク１９からの液体水銀で毛管を満たした。測定中に新しい水銀表面で作業を行うために、水銀１８’を定期的に水銀タンク１９に引き戻し、次いで、毛管３３に押し下げた。前進および後退する水銀フロントについて、毛管内およびタンク内での水銀の液面高さの差ｈを測定した。２つの主要な因子が、この技術の精度を制限している。第１に、付着のヒステリシスのため、新しい水銀表面の場合であっても、前進お見られた。第２に、典型的な粒子サイズが１ｍｍである氷の粒状構造のため、毛管内での水銀の像は鮮明でなかった。これは、約０．２ｍｍ〜約０．３ｍｍの追加誤差をもたらす。結果として得られる誤差は、図および本文中に示されており、本出願人が行った試験の標準偏差に一致する。平衡状態では、水銀の液面高さの差ｈは、（再度）式（２）で与えられる。ｈが測定された場合、式２はまた、Ｗ_i/a−Ｗ_i/Hgを計算するために用いられる。従って、液体金属への氷付着の仕事Ｗ_Aは、以下のように表される。Ｗ_A=(Ｗ_i/a-Ｗ_i/Hg)+Ｗ_Hg/a (12) ここで、Ｗ_Hg/aは、Ｈｇ／空気界面のエネルギーである。−１０℃では、Ｗ_Hg/a ＝４９３ｍＪｍ^-2である。Jasper，J．Phys．Chem．Ref．Data，1,841（1972）を参照されたい。氷に対する水銀の接触角θは、これらの実験データから、およびＤＣバイアスの関数として、以下のように計算することができる。 θ=acos((Ｗ_i/a-Ｗ_i/Hg)/Ｗ_Hg/a) (13) 実験結果ドープされた氷では、小さいＤＣバイアスは、氷−水銀界面エネルギーに強い影響を与えた。エネルギー変化Δ（Ｗ_i/a−Ｗ_i/Hg)の大きさおよび符号は、バイアスの極性および大きさと、ドーパントの種類および濃度に依存する。異なるバイアスが、ＮａＣｌがドープされた氷上の水銀液滴の形状に与える影響は、図１に概略的に示される。表２は、異なる不純物がドープされた氷２０’について、水銀と網状電極との間に異なるＤＣバイアスを付与した場合のθを式（１３）を用いて計算した値を示す。表２：水銀と網状電極との間に異なるＤＣバイアスを付与した場合の、異なるドーパントを含む水からできた氷上の水銀の接触角θ；正電圧は、水銀上の正電位に対応する。図１３は、０．５％ＮａＣｌがドープされた水からできた氷についてＴ＝−１０℃で図３の「マノメータ」により測定した、付着の仕事の変化ΔＷ_A＝Δ（Ｗ_i _/a −Ｗ_i/Hg）対バイアスＶをグラフで示す。示されるように、バイアスは、水銀に対する氷の付着を低下または強化させることができる。バイアスが６Ｖを越えないとき、影響は、約０．０５％を上回るＮａＣｌ濃度について非常に顕著になる。正バイアスは、水銀上の正電位に対応する。２Ｖ以下の負電位が付与された後−１．７５Ｖで見られるＷ_A（Ｖ）依存性の最小値のため、水銀柱はまず下降し、次いで上昇する。より低いＮａＣｌ濃度（＜０．０５％）、または、水道水からできた水では、影響はより小さいが、０．５％ＮａＣｌがドープされた氷では、水銀は、バイアス付与直後に移動し始める。脱イオン水からできた最も純粋な氷では、４０ＶまでのＤＣバイアスは、水銀への氷付着にいかなる顕著な変化も引き起こさなかった。ドープされた氷を用いた場合、影響は完全に可逆性であった。即ち、Ｗ_i/Hg は、バイアス遮断後に回復した。それでも、場合によっては、上記のように、水銀の動きにヒステリシスが観察された。観察されたｈの最大変化は、ｒ＝０．２５ｍｍの場合の１２ｍｍであった。図１４および図１５はそれぞれ、ＤＣバイアスが、ＨＦおよびＫＯＨがドープされた氷のΔＷ_Aに与える影響を示す。ＤＣバイアスが、ドープされた氷の水銀への付着に与える影響を、−５℃、− １５℃および−２０℃でも観察したが、ほとんどの測定は−１０℃で行った。この理由は、−５℃のドープされた氷は、多くの小さい液体混在物（inclusions）を含み、−２０℃の氷には、装置内でクラックができることが多いからである。電流−電圧特性の測定は、氷付着の変化を引き起こしたのが電流ではなく電圧であったことを示している（図１３〜図１５参照）。例えば、２０のファクタだけ異なる導電率を有する氷サンプルにおいて、ΔＷ_Aは、同じ電圧の位置にある同じ大きさの最小値を通る。電気加熱も、影響において役割を果たさなかった。なぜなら、氷電気分解のしきい値（±２Ｖ）よりも低い電圧の場合、電流が数μ Ａおよび数十μＡで測定され、推定温度変化レートが１０^-6℃／ｓ未満であったからである。従って、電気加熱の影響については、無視した。固体の氷中のすべての不純物の低溶解度のため、水に溶解されたドーパントは、成長している氷フロントにより追い出され、最終的に粒子境界内および水表面上に集められ、その導電性を増加する。この章の結果では、測定されたＤＣ電流は、バルク電流、表面電流、および粒子境界電流の和である。電気化学では、バイアスが「オン」および「オフ」であったときの図１６に示される電流ピークは通常、電解質／金属界面での電気二重層の蓄積および減衰に関して説明される。｜Ｖ｜＞２の場合に用いた大きい電流（≧１ｍＡ）は、安定してはいなかったが、時間とともに着実に減衰した。これらの電流を電圧に対してプロットするために、バイアスが「オン」に切り換えられてから２０秒後に電流を測定した。電極の分極の蓄積を防ぐために、バイアスの極性を毎回逆にした。従って、＋０．２Ｖ、−０．２Ｖ、＋０．４Ｖ、−０．４Ｖ、などの順で測定を行った。４０Ｖまでの振幅で１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数範囲のＡＣ電圧の印加は、Ｗ_Aにいかなる顕著な変化も引き起こさなかった。上記のように、純粋な脱イオン水では、４０ＶまでのＤＣバイアスの付与は、Ｗ_i/Hgに顕著な変化を引き起こさなかった。非常に純粋な氷の金属への付着を変えるためには、１ｋＶ〜３ｋＶが必要である。純粋な氷およびドープされた氷のＤＣバイアスへの異なる反応は、これらの氷の導電率の差に起因すると考えられる。従って、本発明のある特定の実施形態では、電気「フィードバック」を利用して、氷の導電率をリアルタイムで測定し、そして、この測定値に基づいてＤＣバイアスを選択し、所定の氷− 材料界面の付着強度を最小にする。当業者は、望ましい場合には、付着強度をリアルタイムで、および、同じフィードバックに基づいて増大することもでき、リアルタイムで且つ同じフィードバックに基づいて増大することもできることを認識するはずである。氷がＮａＣｌまたはＨＦがドープされたものであり、ＤＣバイアスが、水銀上に正電位がある場合の電気分解しきい値を越えると、黄色がかった酸化膜が、水銀表面上に現れた。この膜は、バイアスを逆にしてから数秒後に消えた。しかし、水銀に負電位が付与された場合、ステンレス鋼の網状電極には顕著な色変化がなかった。この水銀表面の電食は、図１３および図１４に示されるΔＷ_A対Ｖ依存性の非対称の原因であり得る。０．２％のＫＯＨがドープされた氷の場合も、電食に関連する氷／Ｈｇ界面に顕著な色変化がなかった。データ中の異常については、その他の可能性がある。例えば、ステンレス鋼− ドープされた氷−水銀のサンドイッチ構造は、弱いバッテリとして挙動し、水銀上に負電位がある場合に小さい起電力（ＥＭＦ）を発生する。このＥＭＦは、０．５％ＮａＣｌがドープされた氷では−０．１８Ｖであり、０．２％のＫＯＨがドープされた氷では−０．３Ｖであった。その他の物理機構もまた、上述の影響、即ち、１）氷−金属界面の電気二重層中の電荷の静電相互作用、２）金属表面の電気酸化および電気還元（酸化還元）、および３）氷の電気分解で放出されたガスにより引き起こされる氷／金属界面の剥離、に寄与し得る。これらを、以下に簡単に説明する。静電相互作用酸化還元のため、金属電極と電解質（イオン導電体）との間には常に電位差Ｖ_C がある。従って、水銀の標準電位Ｖ_Oは、２５℃で＋０．７９５８Ｖである。水銀電極と特定の電解質との間の実際の電位は、電解質のｐＨに依存し、酸性の強い溶液での約＋０．９Ｖから、アルカリ性の強い溶液での約＋０．２Ｖにわたる。Oldham、Fundamentals of Electrochemical Science、Academic Press、New Y ork、pp．309-355（1994）を参照されたい。この接触電位Ｖ_Cに関連する界面上の電気二重層は、水銀上にある密度＋λの原子的に薄い正電荷と、電解質の表面下層内にあるイオン空間電荷−λとからなる。界面電場のエネルギーは、以下の式で表される。ここで、Ｃ（Ｖ）は、それ自体がＶ_Cに依存する「見かけ」界面キャパシタンスである。この場合、付着の仕事の静電部分は、以下の式で表される。界面に外部バイアスＶが付与される場合、Ｗ’_Aは、以下の式で表される。この式は、Ｖ＝−Ｖ_CでのＷ’_Aの最小値を予測する。このタイプの依存性は、図１５、図１３の左側（Ｖ＜０）、および図１４の−３Ｖ＜Ｖ＜０の部分に見られる。Ｗ’_Aの絶対値は、式（１６）の予測値および実験観察値と比較され得る。数で電流が上昇および減衰する。Ａ＝２・１０⁵Ωであり、Ｓは、氷−Ｈｇ界面の面積である。これらの２つのファクタは、氷−Ｈｇ界面と同一であると仮定されるステンレス鋼／氷界面が存在するために現れる。これは、大きさのオーダの概算推定を与える。式（１７）は、０．４Ｆ／ｍ²の近似値でＣを計算する。この値は、金属が濃縮電解質に浸漬される場合の電極キャパシタンスに非常に典型的な値である。Ｃ以下のＷ’_Aの最小値が得られる。この結果は、上記結果（ΔＷ_A＝１００−１５０ｍＪ／ｍ²）に匹敵する。式（１６）からの実験結果のずれは、本明細書で説明されるその他の影響に起因し得る。Ｗ_Aの最小値の位置は、ＨＦがドープされた氷およびＮａＣｌがドープされた氷の場合、−１．７５Ｖであり、これは、酸性電解質中のＨｇの予測Ｖ_C値の約二倍である。しかし、付与バイアスＶは、氷−ステンレス鋼界面、氷−バルク界面、および氷−Ｈｇ界面の間で共有される。氷電解分解のしきい値よりも小さい値で、Ｖが２つの界面間でほぼ等しく共有されると、観察される最小値は、−２ -およびＨ⁺として氷内に入り、Ｎａ⁺およびＯＨ^-を氷の外側に残すため、ＮａＣｌドーピングはＨＣｌドーピングと同様になる。水銀のＶ_Cはアルカリ性電解質中ではより小さいため、ＫＯＨがドープされた氷の場合のＷ_Aの最小値は、より低い負電圧でなければならず、また、実際にそうである（図１５参照）。酸化および還元上記のように、酸性（ＨＦおよびＮａＣｌがドープされた）氷に接する水銀に止電位を付与した場合、酸化水銀（バルクで赤色である）とともに、黄色がかった膜が観察された。おそらくは、この膜が、式（１６）により予測されるとともに、ＫＯＨがドープされた氷について図１５に見られるＷ_A（Ｖ）依存性の見事な対称性を壊している。電気分解で放出されるガス｜Ｖ｜≧２Ｖの場合のガス放出は、氷−金属界面の剥離を引き起こし得、従って、付着の仕事Ｗ_Aを減少させ得る。そのような減少は、１ｍＡの電流が大気圧で約０．１５ｍｍ³／ｓの（Ｈ₂+Ｏ₂）を発生させても、図１３〜図１５には見られない（ただし、図１４にはＶ＜−２Ｖで幾らか減少があり得る）。おそらく、これらのガスは、氷−水銀界面に沿って容易に上方向に逃げたと思われる。それでも、氷−固体金属界面の場合、氷の電気分解により発生されるガスは、界面にクラックを生じさせ得、それにより、氷付着強度を低減する。その他の相互作用Ｗ_A（Ｖ）の最小値で、金属上にある空間電荷と氷上にある空間電荷との間の静電相互作用がゼロであるとすると、その残りであるＷ_A（０）−ΔＷ_minは、アルカリ性氷／Ｈｇ界面の場合は１９０±２５ｍＪ／ｍ²に等しく、ＮａＣｌがドープされた氷／Ｈｇ界面の場合は２９０±１０ｍＪ／ｍ²に等しい。この場合、残されるものは、リフシュッツ−ファンデルワールスおよび極性ルイス酸−塩基相互作用に起因すると考えられ得る。比較的小さいＤＣバイアス（−６Ｖ＜Ｖ＜＋６Ｖ）が、水銀への氷付着に与える影響は、このようにして実証される。バイアスの極性および大きさに依存して、付着の仕事は、３７〜４２％だけ低減され得るか、または７０％まで増加され得る。この小さいバイアス範囲では、非常に純粋な氷に対して、またはＡＣ電圧下では、影響は観察されなかった。界面電気二重層中の電荷の静電相互作用は、電気分解によるガス放出および金属酸化の幾らかの寄与を有する、この現象の一番もっともらしい主要機構である。図１７（および断面図１７Ａ）は、本発明に従って構成されるシステム１００を示す。システム１００は、材料１０４の表面１０４ａ上に形成された氷１０２の付着を低減するよう動作する。システム１００は、材料１０４と、導電グリッド１０６（グリッド上の例示的な点「Ａ」〜「Ｆ」を含む）と、電源１０９とを含む回路を形成する。グリッド１０６は、グリッド１０６が材料１０４から絶縁されたままになるよう、表面１０４ａの上で浮遊される。本発明の好適な実施形態では、表面１０４ａの上でのグリッド１０６の浮遊は、グリッド１０６と表面１０４ａとの間に配置される絶縁グリッド１０８の使用により得られる。図１７Ａは、グリッド１０８をより詳細に示す。図１７Ａの断面図は、絶縁グリッド１０８と導電グリッド１０６との関係を示すために一定の縮尺で示されているわけではない。実際には、グリッド１０６、１０８の（図１７Ａの次元での）厚さは、１インチよりもはるかに小さい値（０．０１０〜０．０２０インチという小さい値でも）であり得、「コーティング」として考えることができる。例示として、グリッド１０８は、絶縁塗料の薄いコーティングからなっていてもよく、グリッド１０６は、導電塗料の薄いコーティングからなっていてもよい。グリッド１０６は、単一の電極として機能するように接続される。従って、材料１０４は、システム１００の第１の電極になり、グリッド１０６は、回路の第２の電極になる。グリッド１０６、１０８はまた、柔軟で表面１０４ａの上に形成可能であってもよい。平坦な表面１０４ａが示されているが、表面１０４ａは、いかなる形状をも表し得る。例示として、材料１０４は、航空機の翼、または車のフロントガラスを表してもよく、グリッド１０６、１０８は、構成材料１０４と共形（conf ormal）である。氷１０２が表面１０４ａ上にできると、（上記のように）氷１０２が半導体として動作するため、システム１００の回路が完成される。回路が完成されると、電源１０９は、氷１０２と材料１０４との間の界面にＤＣバイアスを提供する。このバイアスは、典型的には数ボルト未満である。従って、バッテリが、電源１０９として機能し得る。バイアスの大きさは、所望の応用に依存する。自動車のフロントガラスまたは航空機の翼の場合、バイアスは、最小の（または最小に近い）氷付着になるように選択され、それにより、材料１０４からの氷１０２の除去を容易にする。しかし、例えば、長靴のかかとの場合（即ち、表面１０４ａが靴底の底面である場合）、氷１０２は、かかとの下の氷を表し、バイアスは、氷とかかととの間の通常の氷付着強度を増加させるように選択され、それにより、靴との間の摩擦を増加し、おそらく氷上での滑りを防ぐ。電圧調整器サブシステム１１２はまた、好ましくは、回路内でシステム１００に接続される。以下により詳細に説明されるように、電圧調整器サブシステム１１２は、ＤＣバイアスを最適な態様で減少または増加するように、回路および電源１０９とともにフィードバックで動作する。例示として、サブシステムは、回路からのデータを測定するため、および、氷１０２の導電率（および／または温度）を判定するために、回路およびマイクロプロセッサ１１２ａを含み得る。そのような測定は次に、サブシステム１１２により用いられ、回路に付与されるＤＣバイアス量を効果的に変える信号が生成される。具体的には、１つの実施形態では、電源１０９は、この信号に応答して、氷−材料界面で適切な電圧を生成する。ＤＣバイアスの値は、例えばルックアップテーブルを介して、および、実験データに基づいて、サブシステム１１２内のメモリ１１２ｂに格納され得る。例えば、導電率「Ｙ」（所定の応用の場合、システム１００が材料１０４とともに設置されるため、アプリオリに知られる）の材料１０４に接する導電率「Ｘ」（サブシステムにより、好ましくはリアルタイムで測定される）の氷は、メモリ１１２ｂ内のルックアップテーブルを介して用いられ、氷−材料界面にどの電圧を印加すべきであるかが判定される。グリッド電極１０６は、好ましくは、表面１０４ａ上にできる氷１０２が、グリッド１０６の少なくとも幾らかの部分に接することを（できるだけ）確実にするように間隔が開けられる。例えば、図１７を参照して、氷１０２は、点「Ｃ」〜「Ｅ」を含む、グリッド１０６の幾つかの領域と接触する。従って、システム１００の回路は、氷１０２がグリッドの少なくとも１部分を材料電極１０６、１０４にそれぞれ「短絡」するため完成される。例えば図１７の領域１１４などの、グリッド１０６の導電領域間の間隔の実際の大きさは、特定の応用に合わせた大きさにされるべきである。例示として、表面１０４ａが航空機の翼の表面であれば、間隔は比較的大きく、例えば、１平方フィートよりも大きい。しかし、車のフロントガラスの場合、フロントガラス（フロントガラスの角など）上のより小さい氷堆積物がグリッド１０６に短絡しやすいように、領域１１４は、望ましい場合には、より小さい領域であるべきである。図１８は、本発明に従って構成されるシステム１３０を示す。サブシステム１３０の１つの電極は、航空機の翼１３２である。航空機の翼１３２は、接地１３４に電気的に結合される。ＤＣ電源１３６は、ＤＣ電流計１３８に電気的に結合される。ＤＣ電流計１３８は、誘導子１４０に電気的に結合される。誘導子１４０は、配線１４１を介して、導電塗料１４２（または、その他の翼と共形の導電性等価物）に電気的に結合される。導電塗料１４２は、航空機の翼１３２上に固定された絶縁層１４４に付与される。絶縁層１４４および塗料１４２は、好ましくは、図１７に関して説明され且つ図１９にさらに示されるようなグリッドパターンとして構成される。図１９では、翼１３２’上の導電層１４２’と、絶縁層１４４’（ここでは、絶縁ラッカーとして示される）とが、グリッドパターン１４５を形成する。従って、電源１３６’は、導電塗料１４２’に接続するとともに、翼電極１３２’を介して接地に接続する。翼１３２’上に氷ができると、回路は氷により短絡され、水付着を低減し且つ氷除去を容易にするように、氷−翼界面にＤＣバイアスが付与される。好ましくは、絶縁ラッカー１４４’で覆われる合計面積は、翼１３２’の前縁部１３２ａ’の約１％を越えない。グリッドパターン１４５は、サイズが変えられ得、そして、図示されるように前縁部１３２ａ’の上、または、翼１３２’全体の上、または、設計の選択事項としてのその他の何らかの領域の上に配置され得る。従って、特定の翼および航空機の場合の典型的な氷堆積物に関する過去のまたはその他のデータを有する翼または航空機製造業者は、望ましい場合には、その特定の領域の上にのみグリッド１４５を付与することができる。図１８および図１９のそれぞれの翼１３２と１３２’との間に印加される電圧は概して、１ボルトと６ボルトとの間に調節され、それに対応する電流は、グリッド面積１平方メートルあたり１Ａである。当業者は、市販で入手可能な様々な絶縁ラッカー１４４’および導電塗料１４２があること、および、着氷シミュレーションの試験後に特定のブランドが選択されるべきであることを認識するはずである。さらに、グリッド１４５の最適な間隔（即ち、図１７の領域１１４のサイズを決定するため）はまた、経験的に、または、特定の設計についての分析により、決定されるべきである。図１８をさらに参照して、ＤＣ電流計１３８はさらに、フィードバックサブシステム１５０にさらに結合し得る。次に、フィードバックサブシステム１５０は、ＤＣ電源１３６に電気的に結合し、氷の導電率および温度などの特性に依存して、翼−氷界面に付与されるＤＣバイアスを「制御」する。従って、温度センサ１５２はまた、好ましくは回路１３０に接続し、氷１５４の温度を測定する。システム１３０の別の特徴は、ＡＣ電流計１５８に電気的に結合されるＡＣ電源１５６（約１０ｋＨｚと約１００ｋＨｚとの間で動作する）を含み得る。次に、ＡＣ電流計１５８は、導電塗料１４２に電気的に結合する。電流比較器１６０は、ＡＣ電流計１５８およびＤＣ電流計１３８の両方に電気的に結合される。着氷アラームサブシステム１６２もまた、システム１３０とともに含まれ得る。電流比較器１６０は例えば、以下に説明されるようなある特定の事象を開始するように、着氷アラームサブシステム１４４およびフィードバックサブシステム１５０に結合し得る。ＤＣ電流計は、回路１３０のＤＣ導電率を測定するために使用され得る。ＤＣ導電率信号測定値は、フィードバックサブシステム１５０と、電流比較器１６０とに提供される。次に、フィードバックサブシステム１５０は、ＤＣ電源１３６により供給される電流を調整する。ＡＣ電流計は、例えば１０〜１００ｋＨｚの付与周波数範囲内で回路１３０のＡＣ導電率を測定するために使用され得る。ＡＣ導電率信号測定値は、電流比較器１６０に（および、Ａ／Ｄおよびデータ処理のために、任意にフィードバック１５０に）提供される。ＡＣ導電率とＤＣ導電率との比較は、システム１３０により、ともに回路を「短絡」して完成させる水と氷とを区別するために用いられる。具体的には、ＡＣ導電率のＤＣ導電率に対する比は、氷の場合、水と比べて２〜３オーダの大きさだけ大きいため、水に対して氷を容易に区別する信号測定値を提供する。従って、翼１３２上に氷ができると、電流比較器１６０は、フィードバックサブシステム１５０に信号を送り、次にフィードバックサブシステム１５０が、ＤＣ電源１３６に、氷−翼界面のＤＣバイアスを増加または減少させるよう命令する。ＤＣバイアスは、翼１３２上での氷１５４の氷付着強度を最小にするような大きさ（概して、１ボルトと６ボルトとの間）で選択される。翼１３２を除氷すると、電流比較器１６０が受け取った信号差は、プリセット値よりも小さい値に低下し、電流比較器１６０は、着氷アラーム１６２を不活性化する。それと同時に、電流比較器１６０は、フィードバックサブシステム１５０に信号を送り、次にフィードバックサブシステム１５０が、ＤＣ電源１３６に、バイアスを初期レベルに減少させるよう命令する。つまり、電流計１３８および１５８は、グリッド電極１４２と翼１３２との間で短絡する材料の導電率を判定するために用いられる。示されるように、その材料は氷１５４である。このように、システム１３０は、自動的に氷と水とを区別する。誘導子１４０は、氷付着強度を変えるために正確に制御されるべき部分である回路の「ＤＣ」部に、ＡＣ電圧が入るのを防ぐ。フィードバックサブシステム１５０は、氷の温度および氷の導電率（および／または氷の純度）などのフィードバックデータに基づいて最適に近いＤＣバイアスで電源１３６を命令および制御するために、マイクロプロセッサおよびメモリを含んでいてもよく、好ましくは、これらを含む。フィードバック回路は、好ましくは、サブシステム１６２から氷アラーム信号を受け取った後、約０．１ｍＡ／ｃｍ²の密度（または、氷 −翼界面で約１ｍＡ／ｉｎ²の電流密度）を提供するレベルでＤＣバイアス電圧を増加または減少させる。従って、約１０Ａ〜約３０Ａの電流の場合、典型的な大型飛行機には、約１００ワット〜約５００ワットの合計エネルギー消費量が必要とされる。従って、図１８の回路の「ＤＣ」部は主として、氷−翼界面にＤＣバイアスを提供するように動作し、第２に（望ましい場合）、氷１５４のＤＣ導電率を測定するように動作する。従って、図１８の回路の「ＡＣ」部は主として、ＡＣ導電率を測定するように動作する。従って、図１８の回路の残りの部分は、（ａ）ＤＣ部とＡＣ部との間の信号結合を防ぐための誘導子と、（ｂ）（水と比較した）氷の検出、および／または、氷の温度および導電率などの測定フィードバックパラメータに基づいて、付与ＤＣバイアスを制御するためのフィードバックおよび測定および制御回路とを提供する。図２０は、航空機の翼２０２を除氷するために用いられる１つの他のシステム２００である。ＤＣ電源２０１は、第１の電極としての役割を果たす翼２０２（翼２０２は、導電性であるか、または、金属箔もしくは導電塗料でコーティングされる）と、翼２０２から電気的に絶縁される導電グリッド２０４とに、ＤＣバイアスを供給する。グリッド２０４は、翼２０２とグリッド２０４との間に配置される絶縁膜２０６により、翼２０２から絶縁される。グリッド２０４は、図２０の回路において第２の電極としての役割を果たす。翼２０２上に氷２１０ができると、氷２１０が回路を架橋し、翼２０２と氷２１０との間の界面にＤＣバイアスが付与される。図２１は、自動車のタイヤ２５２と道路２５６上の氷２５４との間の摩擦を増加するために用いられるシステム２５０を示す。示されるように、タイヤ２５２は、電流を伝えるために（ヨウ素などを用いて）導電的にドープされる複数のストリップ２５２ａを含む。ＤＣ電源２５８は、ケーブル配線２６０を介してストリップ２５２ａに接続し、接地２６２に対するＤＣバイアスを生成する。電源２５８により生成されたＤＣ電圧差は、約５Ｖと約１０００Ｖとの間である（通常は、１０Ｖ〜１００Ｖの範囲である）。ＤＣ電源はまた、氷２５４（または雪）の導電率を決定するため、および、それに応じてＤＣバイアスを調節するために、（上記のような）電圧調整回路およびフィードバックサブシステムを含んでいてもよい。当業者に公知のように氷温度を遠隔でサンプリングして、温度もフィードバックパラメータとして使用できるようにするために、非接触温度センサ（図示せず）もまた使用され得る。電圧は、電気制御レバー２６６を介してストリップ２５２ａに印加される。所定の電圧範囲について最も高い付着を得るために、望ましい場合には、交互のストリップ２５２ａを、電源２５８を介してプラスまたはマイナス電位で駆動してもよい。システム２５０が（電気機械コントローラなどにより）使用されていないとき、レバー２６６は、邪魔にならない所に上方向に動かされてもよい。電源２５８をホイールアクスル２７０に接続することにより、レバー２６６と電流源との間に一定の距離が維持される。当業者は、ストリップ２５２ａを既存のタイヤ（またはタイヤ材料）上に溶接してもよいこと、および、より少ないまたはより多くのストリップ２５２ａを使用してもよいことを認識するはずである。実際に、タイヤ２５２は、導電性になるよう完全にドープされてもよい。この場合、ストリップは必要とされない。当業者は、図２１のタイヤシステムに、図１８に示されるような回路を使用してもよいことを認識するはずである。ただし、そのような実施形態のＤＣおよびＡＣ電圧は、これら２つの信号を切り離すために、隣接するストリップ２５２ａ（それぞれ＋および−として示される）に印加される。ストリップ２５２ａ間に印加されるＤＣ電圧は、氷アラームを受け取る前は小さいが（約１０Ｖ）、その信号後には１００Ｖ〜１０００Ｖの高電圧に切り換えられる。図２２は、自動車のタイヤ３０２と凍結道路３０４との間の摩擦を増加するシステム３００である。タイヤ３０２は、電流がタイヤ３０２のゴムを通って流れ得るようにドープまたは製造される。ＡＣ電源３０６は、自動車３０８内に収容され、適切な配線３０９を介してタイヤ３０２に接続される（この配線は、アクスルを介する接続などにより、車輪の回転を妨害していない。）ＡＣ電源３０６は、タイヤ３０２に高周波数（１０〜１０００ｋＨｚ）で高電圧の信号を付与し、その信号が、タイヤ３０２と道路３０４との間に、実質的にＤＣの電圧を与える。その電圧は、好ましくは、氷３１０とタイヤ３０２との間の摩擦を増加する大きさの電圧である。図２３は、回路内でＤＣ源４０４に接続される車のウィンドウ４０２を含むシステム４００を示す。ウィンドウ材料は、システム４００の一方の導電電極になるように（ＩＴＯまたはフッ化物がドープされたＳｉＯ₂などで）ドープされる。他方の電極は、ウィンドウ４０２上に配置される透明の導電ストリップにより形成されるグリッド４０６であり、グリッド４０６とウィンドウ４０２との間の絶縁グリッド（図示せず）により電気的に絶縁される。好ましくは、上記のような電圧調整器サブシステム４０８は、水の導電率および温度などのファクタをモニタして、氷がグリッド４０６とウィンドウ４０２との間の間隙を架橋するときを（水と比較して）判定し、さらに、氷とウィンドウとの間の界面に印加されるＤＣ電圧を、最小に近い氷付着の点にバイアスする。例えば、図４を参照されたい。グリッド４０６の下の絶縁グリッドは、図１９の層１４４’と同様である。尚、グリッド４０６は、好ましくはグリッド４０６上の各点が一定の電位になるように接続される。別のウィンドウグリッドおよび電極パターンが、図２３Ａに示される。このパターンは、（第１のグリッドに結合される）第１の電極４５２と、第１のグリッドと交互配置される第２のグリッドに結合される第２の電極４５４とに接続されるＤＣ源４５０を含む。図２３Ａのシステムは、図２３と比べると、別の実施形態であり、本明細書に示されるような追加の回路および制御を含んでいてもよい。図２３および図２３Ａの防氷グリッドは、好ましくは、ＬＣＤ技術および太陽電池技術で一般的な導電性透明コーティングからなる。ウィンドウ上の導電性の透明電極の櫛状グリッドには、典型的には、１〜２ＶのＤＣ電圧が印加される。所望のバイアスは、電極材料および製造業者に依存し得る。電極は、フロントガラス上に塗布されてもよく、蒸着されてもよい。本明細書に示されるように、自動車のフロントガラスは、許容可能な半導体（透明度を含む）になるように、例えばＩＴＯまたはフッ化物がドープされたＳｉＯ₂でドープされてもよいこどが理解されるはずである。別の透明コーティングには、ドープされたポリアニリンなどがある。リチウムイオン導電ガラスを用いてもよい。自動車のタイヤの場合、電気を伝えるように、ゴム内にコポリマー −炭素堆積物を用いてもよい。ヨウ素を用いてもよい。オーストラリアのCSIRO が開発したゴム薄膜を、本発明とともに用いてもよい。図２４は、本発明に従って構成される送電線氷制御システム５００を示す。このシステムは、配線５０４によりドープされた送電線配線５０６に接続される電力制御モジュール５０２（本明細書に記載されるような、ＤＣ電源、好ましくは、電圧調整、ならびに、ＤＣおよびＡＣ氷検出および測定、などの機能を含む）を含む。配線５０６は、図２４Ａの例示的な断面図に示される（ただし、一定の縮尺ではない）。このように、配線５０６は、主送電線５０８と、絶縁層５１０とを含む。主送電線５０８および絶縁層５１０はいずれも、当業者に公知である。ドープされた外側層５１２は、絶縁層５１０を囲み、回路内でモジュール５０２に氷制御ＤＣバイアスを提供する。導電グリッド５１４は、配線５０６の長さに沿って軸方向に延び（任意の周囲配線を有する）、グリッド５１４と層５１２との間の絶縁グリッド５１６（同様に軸方向に配置される）により、層５１２から電気的に絶縁される。配線５０６上に氷５２０ができると、氷５２０が回路を短絡し、層５１２と氷との間の界面にＤＣバイアスが付与される。バイアスを正しい大きさに調整することにより、配線５０６からの氷５２０の除去が容易にされる。図２５は、スキー６０２上の氷付着を変えて、スキーと雪／氷との摩擦を選択的に増加または減少させるための、本発明に従って構成されるシステム６００を示す。システム６００は、スキー６０２の底面６０２ａの図とともに示される。底面６０２ａ上には、システム６００の回路の部分として、グリッド６０４（例示的に示されたものであり、本明細書に示されるような、絶縁グリッドにより底面６０２ａから間隔があけられる導電グリッドを含む）が設けられる。バッテリ６０６は、グリッド６０４と底面６０２ａとに接続し、回路にＤＣバイアスを提供する。コントローラ６０８は、氷の導電率（および、任意に温度）を検知し、バッテリ６０６により生成されるバイアスを調整する。スキー底面６０２ａは、半導体材料からなるか、または、ドープされるか、または、導電ストリップでラッカーが付与される。雪または氷と接触して、コントローラは、印加電圧を制御し、それにより、スキー６０２と雪および氷との間の摩擦を制御する。当業者は、コントローラ（および／またはバッテリ）が、図２５に点線で例示的に示されることを認識するはずである。これらの物理的な位置は、設計の選択事項であり、スキーの上面にあってもよく、スキー靴のパック（pack）またはビンディングにあってもよい。さらに、コントローラは、ユーザ入力に応答して、摩擦をリアルタイムで変えるようにされてもよい。例えば、（クロスカントリーなどで）斜面を登っているスキーヤは、「摩擦増加」を選択することができ、システム６００は、それに応答して摩擦増加を行う。ユーザはまた、「摩擦減少」を選択することもでき、コントローラは、底面６０２ａへの氷／雪の氷付着強度を最小にするバイアスを命令する。図２６は、靴６９９の底に接する氷／雪の氷付着強度を変えるための、本発明のさらに別の実施形態を示す。具体的には、図２６は、バッテリ７０２を含むシステム７００を示す。単なる例示の目的で、２つの別の電極設計を説明するために示される２つのバッテリ７０２がある。第１の設計では、かかと６９９ａ（本明細書に示される当業者に公知の技術により導電性にされる）で、バッテリ７０２ａは、本明細書に示されるような（そして、導電性のかかと６９９ａから間隔があけられる）導電グリッド７０４に接続する。雪または氷に接すると、雪または氷が回路を架橋し、氷−かかと界面にＤＣバイアスが付与され、摩擦を増加する。図２６の他方の設計は、靴６９９などの小さい表面には実際にはグリッド電極が必要とされないという点で、例示的に示される。むしろ、単一の電極７０６で十分であり得る（尚、上の場合と同様に、電極７０６は、絶縁層７０６ａにより靴底から間隔があけられる）。ここでは、靴底は導電性であり（または、ドーピングにより導電性にされ）、雪または氷が電極７０６に接すると、回路が完成され、靴の牽引力を増加するようバッテリ７０２ｂから最適なＤＣバイアスが付与される。図２７は、送電線７００から氷を低減または除去するのに適した、本発明の１つの好適な実施形態を示す。図２７の挿入図は、本発明に従って構成される送電線７００の断面図を示す。当該分野において公知であるように、通常の送電線７０２は、６０Ｈｚの電力を生成するが、１０，０００ボルト／インチなどの非常に高い電場を有する。本発明によれば、線７０２の上には、厚さ「ｔ」のコーティング７０４が付与される。１つの実施形態では、コーティング７０４は、当該分野において公知であるように、強磁性材料である。強磁性材料は本質的に、ある特定の条件では非常に高１０）とを示し、その他の条件では比較的低い誘電率（３〜５）と小さい誘電損失とを示すセラミックである。誘電率を変えることができる１つの条件は、温度である。好適な局面では、材料は、凝固点よりも高い温度では誘電率が低く、凝固点よりも低い温度では誘電率が高くなるように選択される。周囲温度が凝固点よりも低くなると、高い誘電率および誘電損失のため、コーティングは、ＡＣ電場により強く加熱される。当業者は、上記の実施形態が、自己調整により、コーティング温度を融点に近い（または融点よりわずかに高い）温度に維持するものであってもよいことを認識するはずである。送電線の電場によりコーティングが過度に加熱されると、コーティングは自動的に、強磁性から標準状態への相変態を受け、この時点で、コーティングは、電場エネルギーの吸収を停止する。従って、相転移温度を選択することにより、コーティング温度を、ユーザの要求ごと、および局所領域の環境条件ごとに調節できる。コーティング７０４は、線７０２により発生されるようなＡＣ電場の存在下で熱を発生する。具体的には、コーティング７０４は、ＡＣサイクルにわたって熱を発生するヒステリシスを示し、従ってコーティングは、線７０２の振動電場のため、熱を発生する。厚さ「ｔ」は、典型的には、１インチの１／１００のオーダであるが、コーティング材料と所望の加熱とに依存して、その他の厚さを付与してもよい。例えば、厚さを変えることにより、表面７０４ａの温度は、１〜１０度またはそれ以上増加され得る。厚さ「ｔ」は、所望の熱量（即ち、線７００の表面７０４ａ上で氷および雪を全体的に溶かすのに十分な熱）が発生されるように選択される。コーティングが低い誘電率および誘電損失を示す場合（即ち、コーティングが「凝固点」またはその他の何らかの所望の温度よりも高い場合）、はるかに少ない熱がコーティング７０４により発生され、それにより、はるかに少ないエネルギーが線７０２により費やされる。コーティング７０４はまた、同じまたは同様の影響を有する強磁性材料により構成されてもよい。この場合、コーティングは、送電線が発生する磁場のエネルギーを吸収する。具体的には、強磁性材料を振動電場（ＡＣ）に置くと、この材料は、誘電損失のため、電場により加熱される。１立方メートルあたりの加熱電力は、以下のように表される。ここで、ε’は、比誘電率であり（通常、ε’は、典型的な強誘電体の場合、約１０⁴である）、ε_Oは、自由空間の誘電率であり（ε_O＝８．８５Ｅ−１２Ｆ／ｍ）、ωは、ＡＣ電場の角周波数である（ω＝２πｆであり、ここで、ｆは、送電線の通常周波数であり、例えば、保存形（conservative）送電線では６０Ｈｚである。強誘電体は、いわゆるキュリー温度Ｔ_cよりも低い温度ではε’およびｔａｎ δが非常に大きい値であり、Ｔ_cよりも高い温度ではε’およびｔａｎδが小さいことを特徴とする。従って、誘電損失（または、ＡＣ電場の加熱電力）は、Ｔ_c よりも低くＴ_cに近い温度で非常に高く、その温度よりも高い温度では、大きいフアクタ（例えば、１０⁶)だけ低下する。これにより、融解温度に近いかまたは融解温度のすぐ上のＴ_cを有する強誘電体は、上記のようなコーティング７０４の最適な選択となる。そのようなコーティングは、外部温度が融点Ｔ_mよりも低くなると電力を吸収し、電場によりＴ_mよりも高い温度に加熱され、そのため、コーティングは、再び通常の絶縁体に変わる（即ち、有意な量の電場を吸収しなくなる）。従って、そのようなコーティングをＡＣ電場に置くと、強誘電性材料は、Ｔ_c に近く且つＴ_mのすぐ上の一定温度を維持する。着氷を防止するためのこの自己調節機構は、非常に経済的である。即ち、コーティング厚を変えることにより、および／または、コーティングに中性（強誘電性でない）絶縁塗料またはプラスチックを付加することにより、送電線１メートルあたりの、または、保護される任意の表面１ｍ²あたりの最大加熱電力を増加または減少させることができる。本発明による適切な強誘電材料の例には、以下のものがある。表３：強誘電材料例示として、Ｐｂ₃ＭｇＮｂ₂Ｏ_gについての加熱電力計算を考える。この例で e）送電線を考える。ワイヤ表面上の電場強度は、であるか、または、３ｋＶ／ｃｍである。ここで、Ｌは、ワイヤ間の距離（Ｌ＝６０Ｈｚ、ε’＝１０４、およびｔａｎδ＝１０を代入すると、Ｗ（１ｍｍ、６０Ｈｚ）＝４．５Ｅ５ワット／ｍ³となる。従って、例えば、膜厚１ｍｍの膜は、４５０ワット／ｍ²を生成する。この値は、典型的な氷融解に十分な値よりも大きい。送電線に適用する場合、コーティング内で放散され得る最大電力は、ワイヤ間のキャパシタンスＣ₂により制限される。る。この値は、長さ１ｍのケーブルを無氷状態に維持するのに十分なエネルギーである。強誘電体に加えて、ほどんどどの半導体コーティングでも、同様の効果を提供する。式（２１）の最大の成果に達するためには、コーティングの誘電導電率（ dielectric conductivity）σは、以下の条件を満たさなければならない。ここで、εは、コーティングの誘電率であり、ε_Oは、自由空間の誘電率である。ある。そのような導電率は、多くのドープされていない半導体および低品質の絶縁体に非常に典型的な値である。このように、そのようなコーティングは高価でない（ある特定の塗料は、これらのコーティングにふさわしい）。さらに、上記の同じ温度「調整」は、半導体材料の導電率の強い温度依存性（例えば、指数関数的依存性）のため達成され得る。従って、式（２２）による最適な条件は、コーティングが氷を溶かし、それ以外にはほとんど電力を消費しない狭い温度間隔、例えば−１０℃≦Ｔ≦１０℃、でのみ満たされる。当業者は、本明細書に示されるようなその他の表面を、これらのコーティングで処理してもよいことを認識するはずである。例えば、そのようなコーティングを飛行機の翼に付与する場合、コーティングをＡＣに曝すことにより、特に、そのＡＣを上記式（１９）のように増加することにより、融解能力が提供される。例示として、Ｐｂ₃ＭｇＮｂ₂Ｏ_gの場合、１００ｋＨｚの周波数は、厚さ１ｍｍのコーティングをＷ（１ｍｍ、１００ｋＨｚ、３Ｅ５Ｖ／ｍ）＝７５０ｋワット／ｍ²に加熱する。図２８は、そのようなコーティングを使用して非活性表面（即ち、内部ＡＣ電場を持たない表面）を除氷する、本発明の実施形態を示す。図２８では、強誘電コーティング８００は、構造８０２（例えば、航空機の翼）に付与される。箔電極８０４ａ、８０４ｂは、構造８０２へのＡＣ電力の付与を提供する。ＡＣ電力は、標準ＡＣ電源８０６から得られる。構造８０２とともに回路内にある氷検出システム８０８（例えば、図１８の検出システム）は、好ましくは、電源８０６に、構造８０２上に氷があることを知らせる。その後、ＡＣ電力が付与される。ＡＣ周波数およびコーティング厚は、（例えば、航空機の翼で着氷が起こらないようにするために）所望の熱量を発生するように選択される。このように、本発明は、以上の説明から明らかである目的のなかで、上記の目的を達成する。本発明の精神から逸脱することなく、上記装置および方法に、ある特定の変更がなされ得るため、上記説明に含まれるか、または、添付の図面に示されるすべての事項は例示として解釈され、限定的な意味で解釈されないことが意図される。例えば、当業者は、図１７に関して説明されたようなグリッド電極を、住宅の屋根、油送管、私道、および氷がたまりやすいその他の領域、などの表面に適用してもよいことを認識するはずである。上記に鑑みて、以下を請求する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION System and method for changing ice adhesion strengthRelated application This application is the co-pending application filed on June 16, 1997, owned by the same assignee as the present application. Provisional Application No. 60 / 049,790, 60 / 079,623 filed March 27, 1998, and And a continuation application of the application No. 60 / 079,915 filed on March 30, 1998. In this specification And each of the above applications is incorporated by reference.Government licensing rights In the present invention, the U.S. Government has issued Grant # awarded by the Army Research Office. Has certain rights granted under the terms of DAAH04-95-1-0189.Field of the invention The present invention is directed to a method and apparatus for changing the strength of water adhesion between water and a selected material. Related. Specifically, the present invention relates to the use of electrical energy at the interface between ice and such materials. System to increase or decrease ice adhesion strength and promote desired results And methods.background The adhesion of ice to certain surfaces causes many problems. For example, aircraft Excessive water on the wings puts the airplane and its passengers at risk. On hull Ice is difficult to navigate, consumes additional power to navigate through water and ice, and , Causing certain dangerous situations. Formed on the windshield of the car Most adults find it necessary to scrape the ice, If there is some ice left, the driver's visibility and safety Is at risk. Icing and icing are also problems with helicopter blades and public roads cause. Billions of dollars are spent removing and controlling ice and snow . Ice also adheres to metals, plastics, glass, and ceramics, Causing daily difficulties. Icing on transmission lines is also a problem. Icing adds weight to the transmission line, Power outages occur, costing billions of dollars in direct and indirect costs. In the prior art, there are various methods for dealing with ice adhesion. Surgery involves some form of scraping, melting, or crushing. For example, the aviation industry uses deicing liquids such as ethyl glycol to To melt the ice on the wings. This process is expensive, environmentally harmful, There is also. However, this deicing solution is used because passenger safety is at risk. Have been used. Other aircraft use rubber tubing aligned along the front of the aircraft wing. And thereby periodically inflate the tube to remove any ice on it. Crush. Still other aircraft redirect the heat of the jet engine to the wings to melt the ice. You. These prior art methods have limitations and disadvantages. First, propeller promotion Type aircraft do not have jet engines. Second, the front of the aircraft wing Rubber tubing is not aerodynamically efficient. Third, deicing costs $ 2 per application Very expensive, 500 to $ 3500, depending on the aircraft It can be applied up to 10 times. The problem referred to above is generally the nature of ice, which forms on the surface. Happens. However, ice is also difficult in that it has a very low coefficient of friction. Cause a point. For example, every year ice on the road causes numerous car accidents In addition to sacrificing human life, it has caused many property damages. Car If ears catch ice more efficiently, accidents will probably be less U. Accordingly, it is an object of the present invention to provide systems and methods that beneficially alter ice adhesion strength. Is to provide. Another object of the invention is to provide a vehicle surface such as an airplane wing, hull, windshield, etc. It is an object of the present invention to provide a system that reduces the adhesion of ice to the ice and facilitates the removal of the ice. Yet another object of the present invention is to provide a method for connecting between ice-covered roads and automobile tires. Friction between ice and other objects such as soles and cross-country skis The aim is to provide a system that increases the number. These and other objects will become apparent in the following description.Summary of the Invention One particular issue referred to above is the ice and the surface on which it is formed. If the ice adhesion strength during is reduced, it is reduced. For example, between ice and the wing of an aircraft Air pressure, buffeting, or manual light Cold brushing removes ice from the wings. Similarly, ice and car freon If the ice adhesion strength with the glass is reduced, rub the windshield to eliminate ice Is much easier to do. Another problem referred to above is the ice adhesion between ice and the surface in contact with ice. As the degree increases, it is reduced. For example, with ice between car tires and frozen roads As the wearing strength increases, slip decreases and accidents decrease. Ice has certain physical properties, and due to its physical properties, the present invention And semiconducting) surfaces can be selectively altered. First, ice Is a small class of semiconductors where the charge carriers are protons rather than electrons. Conductor. This phenomenon occurs as a result of hydrogen bonding in ice. Hydrogen bonding occurs This is because the hydrogen atoms of water molecules in ice share electrons with oxygen atoms. Obedience Therefore, the nucleus of a water molecule, which is inherently a single proton, is available for bonding with adjacent water molecules. Remains operable. Like typical electron-based semiconductors, ice is conductive. This conductivity is roughly To provide extra particles that are weak but charged, i.e., protons in the case of ice. Changing conductivity by adding or accepting chemicals Can be. Another physical property of ice is its evaporability. The evaporability of a substance is determined by the It is a function of atmospheric pressure. For most materials, the vapor pressure rapidly drops at the liquid-solid interface. Down. However, with ice, there is substantially no change in vapor pressure at the liquid-solid interface. this Is because the surface of the ice is covered with a liquid-like layer ("LLL"). LLL has important physical properties. First, LLL is a few nanometers Is only thick. Second, the viscosity of LLL at the freezing point or at temperatures near the freezing point Range from almost watery to very viscous at lower temperatures Over. In addition, LLL exists at temperatures as low as -100 ° C, and Actually exists for most temperatures around the sphere. LLL is also a major factor in ice adhesion strength. For example, the smooth surface of ice , When brought into contact with the smooth surface of an aircraft wing, the actual contact between these two surfaces The contact area is on the order of one thousandth of the total area of the interface between the two surfaces. LLL is The principal substance behind almost all adhesives, between surfaces It functions as a wetting substance and substantially increases the effective contact area between the surfaces. This contact surface Increased volume has a strong effect on ice adhesion. The combination of ice's semiconducting properties and LLL results in ice between the ice and other surfaces. Adhesive strength can be selectively manipulated. In general, water molecules in ice pieces It is randomly oriented. However, on the surface, the molecules are either outside or inside Are oriented in substantially the same direction. As a result, the protons and Therefore, all positive charges are either outward or inward. Although the exact mechanism is not known, the randomness of the water molecule is regular within LLL. There is a possibility of transition to a new orientation. However, in practice, this arrangement results in a surface A high density of positive or negative charges results. Therefore, charge is generated on surfaces that come into contact with ice If so, it is possible to selectively alter the adhesion between these two surfaces. Same pole Charge is repelled and the opposite polarity is attracted. The applied electric bias reduces or enhances the adhesion between ice and the surface. In one aspect, the invention provides a DC voltage at an interface between ice and a surface on which ice is formed. Provide a power supply connected to apply. By way of example, the conductive surface may be an aircraft It may be a wing or a hull (or a paint applied to the structure). No. One electrode connects to the surface and a non-conductive or electrically insulating material is Applied as a lid, a second electrode is provided on top of the insulating material, over a conductive material, such as a conductive material. It is formed by applying an electropaint without contacting its surface. Second electrode Surface area is small compared to the total surface area protected by the system Should. By way of illustration, the surface area being protected (ie, the area to be “ice-free”) ) Should be at least about 10 times the surface area of the second electrode. One or more wires connect the second electrode to a power source and one or more wires connect to the first electrode. Electrode is connected to the power supply. Formed on the surface and the conductive second grid electrode Ice that completes the circuit. Next, the ice adhesion strength of the ice to the surface was made controllable. Voltage is selectively applied to the circuit. A voltage regulator subsystem is also preferably connected to the circuit and applied to the interface The voltage is controllably controlled, and control of the ice adhesion strength is achieved. As an example, Ice consisting of different concentrations of ions will change the optimal voltage at which the ice adhesion strength is at a minimum. obtain. This allows the voltage regulator subsystem to selectively change the minimum value. Provide a mechanism that can do it. Other subsystems are preferably connected to the circuit, e.g. water or ice Provides other features, such as detecting completion. In one aspect The power supply is a DC power supply (eg, battery) that applies voltage to the circuit and connects to the Li). In another aspect, a DC ammeter connects to the circuit and removes ice (i.e., surface and When formed over any portion of the two grid electrodes, they "short-circuit" the two electrodes. The DC conductivity of the semiconductive layer is measured. In another aspect, the AC power supply connects to the circuit , Between about 10 kHz and about 100 kHz. Another station According to the aspect, the AC ammeter is also connected to the circuit, and the frequency in the range of 10-100 kHz Measure the AC conductivity of the ice. In yet another aspect, the current comparator comprises an AC conductivity And DC conductivity. Therefore, the above aspect is that, for example, a semiconductive layer formed on a surface is dangerous. Provide a circuit that can identify whether it is ice or surface water. AC conductivity of water The DC conductivity (within the above range) and the DC conductivity are substantially the same. However, the ice Thus, the AC conductivity and the DC conductivity differ by a few orders of magnitude. This Are measured by respective ammeters and compared by a current comparator. Guidance The current comparator will signal an icing alarm when the difference in electrical power is greater than the predetermined set point. Send. For example, at this point, the voltage regulator subsystem To apply a DC bias to the interface at the desired field strength that sufficiently reduces the ice adhesion strength May work as follows. According to one aspect of the invention, ice is detected on an aircraft wing. Then, the icing alarm will (a) measure the conductivity of the ice, and (b) Determining an appropriate bias voltage to reach the ice deposition condition (close to) and (c) A filter in the system that applies a bias voltage to the ice-wing interface to facilitate ice removal Start a feedback loop. Those skilled in the art will recognize that the above systems can be used for vehicles such as windshields, hulls, Recognize that it can be applied to many surfaces where it is desirable to reduce ice adhesion strength Should be. In such cases, if the surface material is weakly conductive, it is fully conductive It is desirable to "dope" the surface material such that Doping technology It is known to the trader. For example, in an auto city tire, to make rubber conductive, Iodine can be doped. Similarly, automotive glass allows windshields ITO or fluoride doped SnO to make possible semiconductors_TwoIs Can be looped. However, in another aspect, the systems and circuits also increase ice adhesion strength. It is applicable where it is desirable to have. For example, in this phase, When the system detects ice, the system activates a feedback loop to reach the interface. The applied DC voltage to increase ice adhesion. Benefit from this system The location and surface for the acquisition may include, for example, one of the person's shoes (or one Soles on the underside of foot shoes), and car tires. In yet another aspect, the present invention provides for increasing the strength of ice adhesion between ice and a surface, A variable ice deposition / voltage control subsystem that selectively performs the reduction may be included. As an example Cross-country skiing (or skiing for telemarks), ideally on a slope Higher friction when climbing a surface (or, in certain circumstances, when descending a slope) It has rubbing and has lower friction when "skiing" down slopes. 1 of the present invention According to one aspect, the ice deposition systems and circuits provided herein provide a circuit. As it is attached to the ski in the circuit, the operator can reduce the friction of the ski. It can be selectively and selectively controlled. In another aspect, the invention relates to a vehicle front glass, such that ice is easily removed. To provide a methodology for reducing the strength of adhesion between the substrate (or any window). In this method, the window or windshield makes the window semiconductor (Ie, the window is made conductive). The first electrode is c The second grid electrode is attached to the window without contacting the windshield Be floated on the windshield. By way of example, the second electrode is a grid electrode Can be applied to an electrically insulating grid between the windshield and the windshield. The user The insulator and the second electrode are preferably visible so that they can be seen through the window. Preferably it is transparent. When ice forms on the windshield, the second electrode and From the window (and thus the first electrode), a current path is created. Follow When ice forms on the window and on any part of the grid, "Short circuit" the road. Then, as described herein, the ice adhesion strength A voltage is applied to the electrodes so that they are reduced. The area of the electrodes is preferably between ice and Much smaller than the entire area of the interface with the front glass. In yet another aspect, increasing the coefficient of friction between a car tire and a frozen road A method is provided. High-voltage AC power supplies potential at the interface between the road and the tires. Connected to the car as you can get. Typically, AC is about 1 kHz and about 10 kHz. It has a frequency between 00 kHz. As the current flows through the tire, the tie The tire is manufactured by placing a conductive material such as carbon in the tire, or Is doped with iodine or the like. The potential is then selected and applied, and the tie Increases the adhesion strength of the ice to the tires and thereby the traction of the tires on frozen roads Increase. Other useful backgrounds of the present invention can be found with reference to the following documents: Honcho In the detailed description, each of the following documents is incorporated by reference. Next, the present invention will be further described with respect to the preferred embodiments. Various additions, deletions and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the invention. It becomes clear.BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES A more complete understanding of the present invention may be obtained by reference to the drawings. 1A-1D show the vacancy of charge density ρ (x) near the ice-air and ice-metal interfaces. The inter-distribution is shown graphically. 2A-2C show the effect of DC bias on ice deposition on liquid metal (mercury). And a smaller contact angle を indicates stronger adhesion. FIG. 3 shows the ice used for measuring the ice-mercury interfacial energy as shown in FIG. 1 schematically shows a manometer. FIG. 4 shows a DC cell at T = −10 ° C. on ice doped with 0.5% NaCl. Experimental results of ias versus ice-Hg interfacial energy are shown graphically. FIG. 5 shows the electrostatic energy W of the ice shielding layer per unit surface._eSurface potential V_s(T = -10 ° C). FIG. 6 shows the adhesion energy W of the ice-metal interface per unit surface._aIs the function of distance z 3 is a graph shown as a number, wherein curves 1, 2, and 3 are D defect, H defect, respectively._ThreeO⁺ Curve 4 corresponds to full occupancy by ions and protons (fixed occupancy curve), The equilibrium dependence of the adhesion energy on the distance for the surface state is shown (T = −10 ° C.). ). FIG. 7 shows the occupation coefficient f of the surface state related to the D defect by the energy E of the surface state._s (T = −10 ° C.). FIG. 8 is an evaluation system configured according to the present invention, wherein the DC bias is Evaluation system used to measure the effect on ice adhesion to stainless steel Is schematically shown. FIG. 9 shows the system of FIG. 8, which was measured without applying a voltage to the movable steel electrode. The shear stress versus time for the stainless steel interface is shown graphically where the ice sump Is made of 0.5% NaCl aqueous solution of distilled water, and 100 μm / min. At −10 ° C. under a constant strain rate of. FIG. 10 shows the measurement of the system of FIG. 8 with +6.6 V applied to the movable steel electrode. Graphically shows shear stress versus time for an ice-stainless steel interface, where ice The sample was made from 0.5% NaCl aqueous solution of distilled water, Tested at −10 ° C. under a constant strain rate of m / min. FIG. 11 shows the system of FIG. 8 measured by applying -1.8 V to the movable steel electrode. Graphically shows shear stress versus time for an ice-stainless steel interface, where ice The sample was made from 0.5% NaCl aqueous solution of distilled water, Tested at −10 ° C. under a constant strain rate of m / min. FIG. 12 shows that, using the data of FIGS. 9 and 10, +6.6 V is given to the interface strength. The effect is shown graphically. 12A and 12B illustrate the relative strength of the ice / steel interface. The experimental data for ice doped with 0.5% NaCl at −10 ° C. Shown in a graph. FIG. 12C shows how the formation of gas bubbles at the ice / metal interface can be seen. Then, it is shown whether or not it functions as an interface crack to reduce the interface strength. FIG._A= Δ (W_{i / a}-W_{i / Hg}) And current I vs. DC bias V Shown is a graph of the experimental results, where the ice was made from water doped with 0.5% NaCl. At T = −10 ° C., W_A(0) = 400 ± 10 mJ / m^TwoIt is. FIG._A= Δ (W_{i / a}-W_{i / Hg}) And current I vs. DC bias V Shows a graph of the experimental results, the ice is made of water doped with 0.18% HF And at T = −10 ° C., W_A(0) = 360 ± 15 mJ / m^TwoIt is. FIG._A= Δ (W_{i / a}-W_{i / Hg}) And current I vs. DC bias V Shows a graph of the experimental results, the ice was made from water doped with 0.2% KOH And at T = −10 ° C., W_A(0) = 293 ± 25 mJ / m^TwoIt is. FIG. 16 shows that at T = −10 ° C. Ice samples made from 0.2% KOH solution 4 shows a graph of the experimental results including current versus time for the example, where -1 V is marked on mercury. Added. FIG. 17 illustrates a technique for altering ice adhesion to common conductive (or semiconductor) materials. 1 illustrates one system configured in accordance with the present invention. FIG. 17A shows a cross-sectional view (not to scale) of the system of FIG. FIG. 18 shows a book for reducing the ice adhesion strength of ice formed on an aircraft wing. 1 shows one system of the invention. FIG. 19 illustrates a conductive structure constructed in accordance with the present invention for forming on an aircraft wing. 2 shows a paint / insulating lacquer grid. FIG. 20 shows one embodiment of the present invention for changing the ice adhesion strength of ice attached to the wing of an aircraft. 3 shows two other embodiments. FIG. 21 shows a book for changing the water adhesion strength between an automobile tire and a frozen road. 1 schematically illustrates a system configured according to the invention. FIG. 22 shows that a voltage is applied to the interface between the automobile tire and the frozen road, One of the structures according to the invention for increasing the coefficient of friction with icy roads 2 shows another system. FIG. 23 shows a system for changing ice adhering to a vehicle windshield. FIG. 23A shows another embodiment. FIG. 24 illustrates one embodiment of the present invention for reducing ice adhesion to power lines. FIG. 24A is a cross-sectional view (not to scale) of a transmission line constructed in accordance with the present invention. ). FIG. 25 shows a method for selectively altering ice deposition on skis to remove snow and / or ice. 3 illustrates an embodiment of the present invention for increasing or decreasing rubbing. FIG. 26 illustrates the traction of a shoe with increased ice / snow adhesion to the shoe sole and / or heel. 2 shows the heel and sole of a shoe constructed according to the invention for increasing the force. FIG. 27 shows the removal of ice and snow from a transmission line by applying a coating to the transmission line. 1 shows one system of the present invention for leaving. FIG. 28 illustrates a method for removing ice from a non-active surface according to the present invention. 3 shows the application of a ferroelectric coating.Detailed description of the drawings The present invention provides for the application of a DC bias to the interface between ice and Includes systems and methods for changing the strength of ice adhesion to materials such as semiconductors. Therefore The present invention reduces the adhesion of ice to such materials and, in some cases, Can be used to comb. In certain embodiments, the invention relates to an electrostatic phase forming a bond between water and a metal. Change interactions. This interaction creates a slight DC (direct current) bias between ice and metal. It can be effectively changed (reduced or enhanced) by adding ass. Experimental and theoretical calculations show that the ice surface^-2C / m^Two~ 3.10^-2C / m^TwoHigh It has been found to have a density charge. Petrenko et al.Generation of Electric F ields in Ice and Snow Friction J. Appl. Phys., 77 (9): 4518-21 (1995), Pet. renko,A Study of the Surface of Ice , Ice / Solid and Ice / Liquid Interface s with Scanning Force Microscopy J. Phys. Chem. B, 101, 6276 (1997), And Dosch et al., Surface Science 366, 43 (1996). In this specification Therefore, each of the above documents is incorporated by reference. This charge density is determined by the moisture Arising from the strong polarization of the child. These phenomena are further illustrated in FIG. 1A-1D show the relationship between molecular polarization P and space charge density ρ in ice-air. As a function of distance from the interface (FIGS. 1A-1C) or the ice-metal interface (FIG. 1D). Show. In FIG. 1D, the charge induced on the metal is equal in magnitude to the charge on ice, Is the opposite. The horizontal axis 10 in FIG. 1 indicates the distance x with respect to “L” as the shielding length. . FIG. 1A also shows the water molecule polarization P near the surface (along the vertical axis 12a), and FIG. B represents the charge density ρ of polarization charge ρ (x) = − dP / dx without shielding ( (Along the vertical axis 12b). FIG. 1C shows the charge density ρ of the polarization P (along the vertical axis 12c). This is the case with additional shielding by a small number of charge carriers. . FIG. 1D shows the charge density ρ in ice near the ice-metal interface (data 14a) and the same field. And the charge density ρ (data 14b) in the metal or dielectric material near the surface (vertical axis 12d Along). The interaction between the ice surface charge and the charge induced on the solid is the strength of the ice-solid interface. Influence the degree. The rough estimate is the static of two plane surface charges Electric attraction (negative pressure P_el) Is represented by the following equation.Where ε_OIs the dielectric constant of vacuum, and E is the electric field strength in the space between charges . With the charge distribution shown in FIG. 1D, the contact potential V of the two materials_cIs determined, E to V_c/ L. Where L is in ice and solid Is the distance between plane charges. V at the ice-metal interface_cIs enough From a few volts to about 1 volt. Buser et al.Charge Separation by Collis ion of Ice Particleson Metal: Electronic Surface States , Journal of Glaci ology, 21 (85): 547-57 (1987). In this specification, refer to the above documents. Incorporated as a consideration. Wave number permittivity), and V_c= 0.5V (typical magnitude of contact potential) comparable to, but greater than, the macroscopic tensile strength of ice at Is the size. Schulson et al.A Brittle to Ductile Transition in Ice Under Ten sion Phil. See Mag., 49, 353-63 (1984). In this specification, References are incorporated by reference. Between the ice surface charge and the metal using the actual space-charge distribution and charge relaxation calculations A more sophisticated calculation of the electrostatic interaction energy of is shown below. In particular, This interaction energy is 0.01 to 0.5 J / m at −10 ° C.^TwoThat it is Are shown below. 0.01J / m which is the lower limit^TwoCorresponds to pure ice and has an upper limit 0.5 J / m^TwoCorresponds to a high concentration of dope. These values are Using scanning for cemicroscopy ("SFM"), Comparable to other experimental results. The SFM result shows that the electrostatic interaction energy Is 0.08 ± 0.012 J / m^TwoBut the static of ice / metal adhesion For the electrical part, experiments at the ice / mercury interface showed 0.150 +/- 0.015 J / m^TwoReturn to Because the electrostatic interaction contributes to ice adhesion, ice and conductive materials (eg, metal or semi-conductive) The bond strength between the conductor and the conductor is controlled by an external DC bias applied to the ice-material interface. be changed. To determine the effect of DC bias on ice adhesion, the interface was It was modeled as a liquid-solid interface, not a plane. The interface that actually determines the adhesion Energy is, as in the case of water-metal, one material is liquid and the other is solid It is reliably measured by the contact angle experiment. Therefore, when the metal is in the liquid phase, ice-gold A similar technique is used for metal interfaces. For example, a melting point of −38.83 ° C. and lowering Mercury that has biological activity and is easy to make a clean surface proves this model Very suitable for. Effect of slight DC bias on ice deposition on mercury Is shown in FIGS. 2A to 2C. FIG. 2A shows the initial deposition of mercury 18 on ice 20, where the adhesion strength is Δ₀Represented by You. Therefore, Θ₀Represents the adhesion strength in the absence of an applied voltage (that is, V = 0). . On the other hand, FIG. 2B shows that -1.75 V supplied by the DC voltage source 22 is applied. Resulting bond strengthΘ₁Is shown. The voltage source 22 is, for example, It may be a battery or any other voltage source known in the art. No. Wiring 24 connects voltage source 22 to mercury 18 and ice 20 to complete the circuit. You. FIG. 2C shows the result of an applied voltage of −5 V provided by voltage source 22. Different adhesion strength_TwoIs shown. It should be noted that the applied voltage is 0 V (FIG. 2A) to -1. . Even if it changes to 75V (FIG. 2B) and -5V (FIG. 2C),_Two<Θ₀< Θ₁This indicates a significant change in adhesion strength due to a small range of negative voltage difference. You. Adhesive strength₁Is Θ_TwoOr Θ₀Relatively weak compared to Indicates wear. On the other hand, adhesion strength Θ_TwoIs Θ₁And Θ₀Relatively strong compared to. In order to measure the surface tension of the ice-mercury interface 16 in FIG. 3 is shown schematically). A DC power supply 22 'was used as the power supply 22 in FIG. Electric A DC ammeter 28 was placed in the manometer circuit 26 to measure the flow flow. A power supply 22 'is connected to a mercury 18' and a mesh electrode 30 connected to ice 20 'in the circuit. Connect to Thus, circuit 26 provides a current flow through mercury 18 'and ice 20'. Is completed by Mercury 18 'is passed through a small capillary 32 of selected diameter through ice. 20 'in fluid communication. When the DC bias changes, mercury 18 'and ice 20' Changes between the ice deposits, and due to the force of gravity, within the ice 20 '(i.e., within the ice 20'). The height "h" of the mercury 18 'in the upwardly extending capillary 32) is adjusted. Specifically, the equilibrium position h of the mercury 18 'in the capillary 32 is as follows. Where g is the gravitational acceleration, r is the capillary radius, ρ is the density of mercury, W_{i / a}Is the surface energy of the ice-air interface, W_{i / Hg}Is the surface roughness of the water-Hg interface. It is energy. When h is measured, W is calculated using Equation (2)._{i / Hg}, And Thereby, the adhesion strength of ice to the liquid metal (mercury) is calculated. In FIG. 3, the capillary The radius r was 0.25 or 0.5 mm during the test. Additional experiments, such as within the configurations of FIGS. 2 and 3, show that 99.9998% pure electron Contains mercury grade and polycrystalline ice. This polycrystalline ice is very pure deionized Water, distilled water, untreated tap water and low concentrations of NaCl or KOH or H It is made from F-doped deionized water. The experiment was performed at -20 ° C to -5 ° C. Performed in a cold room with a temperature range of ± 2 ° C (most tests were performed at -10 ° C And 89-91% relative humidity). For doped ice, DC bias It was found that ass had a strong influence on the ice-mercury interfacial energy. Energy -Change Δ (W_{i / a}-W_{i / Hg}) Magnitude and sign are the polarity and magnitude of the bias And the type and concentration of the dopant. For example, FIG. For ice doped with NaCl, Δ (W measured at T = −10 ° C._{i / a}-W_i _{/ Hg} ) Shows the bias v. As shown, the bias reduces the adhesion of ice to mercury. Can be reduced or enhanced. The minimum adhesive strength was reached at about -1.75 V, but from -2 V Up to -6 V, the bond strength increased. The effect of surface energy is less than 0.05% This is more pronounced at high NaCl concentrations. For lower concentrations of NaCl or for ice made from tap water, lower DC When a bias was applied, the adhesion strength was almost unchanged, and the reproducibility was weak. one On the other hand, in the case of ice doped with 0.5% NaCl, mercury has a voltage bias. It moved as soon as it was done, and its effects were completely reversible. That is, the bias After shutting off, W_{i / Hg}Has been recovered. These results are reproducible and easily viewable. Be guessed. For a capillary radius r = 0.25 mm, the maximum change in h is 12 mm. Was. The measurement of the current-voltage characteristic also causes the above-mentioned change in the adhesion strength. Rather than a voltage. For example, in a typical experiment, a current of several tens of μA Generates an intensity and the estimated temperature change rate is 10^-6C / s. KOH also In HF-doped ice, the application of DC bias_{i / Hg}The near-symmetric reduction of Provoked. The magnitude of this decrease is due to the decrease seen with NaCl-doped ice. Was comparable to Amplitude up to 40V and frequency from 10Hz to 10kHz For several ranges of AC voltage application, W_{i / Hg}No noticeable changes occurred. Even with pure deionized or distilled water, applying a DC bias up to 40V , W_{i / Hg}No significant changes occurred. Therefore, the attachment of very pure ice to metal In order to change clothes, 1 kV to 3 kV is required. Pure ice and doped The different response of the ice to DC bias is due to the shielding length of these ices and the electrical This is probably due to the different relaxation times. The above experiments show that the electric double layer on the ice-metal interface plays an important role in water adhesion. Role is confirmed. W_{i / Hg}The absolute magnitude of the However, electrostatic interactions are inherent in both cases (liquid Hg and solid Hg). Is the same as The adhesion of ice to the metal creates a slight potential difference between the ice and the metal Experiments have also shown that it can be changed more efficiently. Variations in bond strength also If a DC bias is applied to ice containing different impurities, it will be applied to different solid metals. It also occurs when applied and when applied at different temperatures. The inventor has also found that ice charge is based on the presence of surface states of proton charge carriers on the ice surface. We have also studied electrostatic models of clothes. At distances greater than the intermolecular distance, The model uses the chemical bond energy and van der Waal It gives orders of magnitude much larger than any of the loose forces. This model also The difference between the adhesion properties of ice and water, the physics of the bond between ice and other solids Describes the mechanical mechanism and the nature and strength of molecular bonds between ice and various solids Gives an understanding of time- and temperature-dependent phenomena. Coupling mechanism, covalent or chemical bonding mechanism, electromagnetic interaction (Van der Waals force ), Or direct electrostatic interaction. It is appropriate to classify into one of two groups. For example, Israelachvili,Int ermolecular and Surface Forces 2nd ed., Academic Press: London, Ch. 2 (19 Please refer to 91). In this specification, the above documents are incorporated by reference. the first The mechanism corresponds to the chemical reaction and the formation of interfacial compounds. By covalent or chemical bond Implies that the adhesion energy is due to the overlap of the interacting solid wave functions. Occurs as a result of a decrease in quantum mechanical energy. Such an interaction is 0.1 Only essential for distances on the order of ０．２0.2 nm. In addition, this type of adhesion Very sensitive to attached solid chemistry. With perfect contact, the chemical bonding mechanism is , ≦ 0.5J / m^TwoCan provide the deposition energy. This value is It is considered to be the lowest value of the adhesion energy. Unlike chemical bonding, van der Waals forces are long-range Acts between all substances. This force affects the macro properties of the solid (at different frequencies) Dielectric force), and for this reason, this force is subject to experimental conditions. I am insensitive. For example, Mahanty et al.Dispersion Forces, Academic cPress, Lond on, Chapter 9 (1976); Barash et al.,The Dielectric Function of Condensed Syst ems , See Keldysh et al., Ed., Elsiever Science, Amsterdam, Chapter 9 (1989). I want to. In this specification, each of the above documents is incorporated by reference. Two solids containing uncompensated or spatially separated charges are also chemically bonded. In addition to the combining and dispersing forces, an electrostatic force is also generated. The importance and adhesion of this electrostatic force The importance to it has recently been rediscovered. Stoneham et al. Phys. C: Solid State P hysics, 18, L543 (1985), and Hays,Fundamentals of Adhesion, Lee, Lee See Prenum Press, New York, Chapter 8 (1991). In this specification Therefore, each of the above documents is incorporated by reference.A model for ice adhesion properties. Next, a model is created to show the electrical properties of the ice surface. This model comes with ice Clarify the link between landing and other properties of ice. This model is Compare with Waals force, chemical bonding mechanism, and experimental results. The main conclusion of the model described below is that electrostatic interactions are It plays a significant, if not a significant role. In the model One important parameter is the parameter of the arrangement of water molecules adjacent to the ice-solid interface. It is. In other words, in other words, the parameters of the appearance of surface states of proton charge carriers It is. Thus, the problem is to simulate the behavior of water molecules on the solid surface It becomes a problem. However, in the following description, surface states that may be occupied by proton point defects Assume that a place exists. This occupation of surface states can result in trapping of trapped charge carriers. Defined by the interaction between the electron energy and the energy depth of the surface states. It is. Then, the occupancy coefficient of the surface state (if non-equilibrium) or the energy of the surface state One of the depths is considered as a parameter. Ice is any solid substrate that has a dielectric constant different from that of ice. And polar water molecules that interact strongly. Furthermore, the presence of surface charges on ice There are theoretical and experimental proofs. This surface charge also interacts with the substrate. Can be used. Here, the surface charge arises from the capture of proton charge carriers by the ice surface. Assume that The trapped defects are probably D defects, H_ThreeO⁺Ion, or It is a proton. Cations are smaller in size than anions. Because the cation Has fewer or no electrons, and Because it exists. Therefore, for short distances, the image charge theory should be used. Can be. Here, the potential energy of the charge and its mirror image (image ) Can be less than the charge energy in ice. Larger size anions are This is harder to reach. At thermal equilibrium, the occupation of surface states is not perfect. why If the gain of the energy due to the trapped charge carriers is Is compensated by the rise of the However, the electrostatic energy itself is (inductive Charge redistribution inside the substrate (due to the applied charge). this is, Full occupancy of surface states and fairly high adhesion energy (close to electrostatic energy) Can lead to The spatial distribution of charge carriers in the subsurface layer of ice is described below. Boasso The first integral of the equation can be expressed in the following form. Where E and V are the electric field strength and the electrostatic potential, respectively (both of which are , Is a function of the spatial coordinates z), σ_O= E_B· Λ · N and e_BOf the Bierm defect Where k and T are Boltzmann's constant and temperature, respectively. The function f (V) is Is defined by the following equation: Here, Bierm defects are used as charge carriers trapped at surface states. You. Equation (3) applies to any point of the ice crystal. Apply this formula to the ice surface And the surface charge density σ_SAnd the surface potential V_sThe relationship between σ_S= Σ_Of (V_s) Is obtained You. Next, using formulas (3) to (6), the contribution of static electricity to the adhesion energy of ice is calculated. can do. First, the electrostatic energy of the ice shielding layer as a function of the surface potential Calculate Because this electrostatic energy gives the upper limit of adhesion energy This is because that. Using the definition of electrostatic energy and equation (3), the following equation is obtained: Can be W_eV_sIs shown in FIG. Bierm D defect, cation defect H_ThreeO⁺, Give values of 0V and 5.13V. According to FIG._ThreeO⁺On, Missing Bierm And the complete occupation of surface levels by protons, respectively, 0.8J / m upper limit^Two, 0.32 J / m^Two, And 1.35 J / m^TwoCorresponding to So Lower values are for incomplete occupancy. Between surface charge density and surface potential Using the relationship between, energy versus surface charge density is calculated. Next, consider a metal plate separated from the ice surface by a distance d. Unevenness in ice A uniform charge distribution induces a surface charge on the metal, and thus between the ice and the metal plate. To induce an electric field. The total electrostatic energy of the system per unit area is expressed as be able to. However, V in equation (8) must be obtained from energy minimization for each value of distance d. This is the surface potential of the ice that must be reached. The surface charge density is arguably the surface Can be considered as a constant corresponding to the non-equilibrium occupancy of the order. W_e(D, V) Following the minimization procedure, the deposition energy per unit area as a function of d Is obtained. W_a(d) = W_min(d) -W_min(∞) (9) Bierm D defect, cation defect H_ThreeO⁺, And the same case of full occupation by protons This function is shown in FIG. Bierm D defect, cation defect H_ThreeO⁺, And full occupancy by protons are shown as data curves 1, 2 and 3, respectively. . Under equilibrium conditions, the surface charge density of ice increases with decreasing distance d. this Is because the induced charge on the metal plate shields the ice surface charge. Actual In this case, the Coulomb energy of the trapped charge carriers is reduced, thus Higher occupancy is possible. When considering this case, first consider the electrostatic energy Energy gain due to surface level occupancy and entropy of surface defects Contributions must be summed. Where E_OIs the energy of the surface state (E_O= −0.5 eV ), Σ_m= E / S, where S is the surface area of one water molecule. Then free energy G is minimized for V and σ. This procedure also includes ice bulk (ice Assume that the bulk) chemical potential is kept constant and equal to zero. d By doing so for all values of the distance or equilibrium adhesion energy The equilibrium free energy as a function of the energy is obtained. This is also shown in FIG. Line 4, for protons). By the same procedure, the energy E of the surface state is obtained._OOr ice as a function of temperature To obtain an equilibrium occupancy of the surface state or surface potential of the substrate. Metal plate Suppose you are infinitely far from the ice surface. And the first positive element of equation (8) To minimize the prime, σ = σ_OAssume f (V). In this case, F is It becomes a function of only one parameter of V or σ. Final against V Although it is somewhat easier to do the minimization, the result can be recalculated as σ. Professional The occupancy coefficient of the surface state versus the energy of the surface state at the set D defect is shown in FIG. Is done. The energy level of the surface level depends on the chemical potential of the D defect in the bulk. Is measured in relation to As can be seen from the results of FIGS. 5 to 7, the typical value of the adhesion energy is 1.3 J / m, depending on the type of carrier and the energy of its surface state^TwoAnd 0 . 08J / m^TwoBetween. This size is measured on ice-gold measured at -20 ° C. Equal to or higher than the adhesion energy of the metal interface. In fact, with The arrival energy is as high as the chemical bonding mechanism, but unlike the latter case, The electrical mechanism has a larger distance (about 10 r_oo, R_oo= 0.276 nm) Remains. Therefore, r_ooAt greater distances, the electrostatic mechanism is Is also extremely important. Therefore, r_ooFor larger distances, the Hamaker constant is 3 ・ 10^-20If it is equal to J, the electrostatic energy is the electrostatic energy of the van der Waals force. Crosses energy. Note that the last estimate relates to the ice-ice (or water-water) interface. And for the ice-metal interface, as shown by curves 1, 2, 3 and 4 in FIG. Not. Van der Waals interaction between ice and metal, also long distances The effect can also be considered. 0.01 J / m^TwoAnd long-range characteristics. Adhesion in non-equilibrium separation experiments The energy should be higher than in the adhesion experiments. The latter is ice and metal Efficient shielding of electrostatic energy by a metal plate when in contact with Explain. Therefore, the behavior of the adhesion energy depending on the distance in the equilibrium experiment is It is easily understood. At small distances, metal plates shield electrostatic energy, Has high adhesion energy. This is because the occupation of the surface state is large. I However, as distance increases, so does electrostatic energy, lower occupancy and better Lower surface charge density. By way of example, compare curves 3, 2 and 1 of FIG. I do. These curves show that free energy and distance are Is equivalent to more rapid decay. Surface state energy E_SOf occupancy as a function of (surface states for D defects When V, it is close to zero. Charge carriers are trapped in positive energy surface states One reason is related to the entropy gain of free energy. Same reason And there is a defect in the ice bulk. In the case of a bulk D defect, “formation energy ( creation energy) is equal to 0.34 eV per defect, this energy Is much larger than 0.1 eV. Ultimately, this is in the bulk state, 3.10^-7Occupancy coefficient of the order. Time-dependent phenomena can also be related to ice accretion, which is a factor in the model. Unique. To enter or exit a surface state, the defect is Must overcome some electrostatic barriers, which can be caused by non-equilibrium and time Leads to a phenomenon of dependence. One important element of this model is the ice surface charge and the charge induced in the metal And electrostatic attraction. This is except that the magnitude of the induced charge is different. Therefore, the mechanism applies to the ice-insulator interface. The charge q on the ice surface is Which induces a “mirror image charge” −q, but the same charge q Thus, a smaller "mirror image" charge q 'is induced. Here, ε is the dielectric constant of the insulator. For most solid dielectrics, ε is 1 And the induced charge is comparable to the induced charge in metals You. The smaller ε, the smaller the electrostatically related adhesion. As an example, CFC has a dielectric constant of ε = 2.04 and is well known to have low adhesion to ice. You. It is useful to consider why ice has a higher adhesion than water. Water charge Due to the higher carrier concentration, the shielding of water surface charge (if present) (The corresponding initial electrostatic energy is much smaller than ice). Obedience Therefore, shielding of the electric field by the substrate cannot greatly reduce the energy. No. At a temperature close to the melting point of ice, a thin liquid layer may appear at the water-solid interface. Da sh et al., Rep. Prog. Phys. 58, 115 (1995). In this specification, References are incorporated by reference. Therefore, the model can be used to pre-melt the surface It can be updated to include the effect on ice adhesion. The electrostatic model of ice adhesion shows the relationship between the electrical properties of the ice surface and ice adhesion. You. This model gives the correct order of the magnitude of the attachment energy. Ice and metal The electrostatic interaction between a molecule and the And supplies much higher energy than van der Waals forces. This model Can also explain the time dependence and temperature that help explain the differences in the adhesion properties of ice and water. Provides an intuitive way to understand degree-dependent phenomena.Effect of DC bias on water adhesion to stainless steel Next, the effect of the DC bias on the adhesion of ice to solid metal will be considered. Experiment For purposes, the system 50 shown in FIG. 8 was used. The space between the steel pipes 52 is 0 . Fill with 5% aqueous NaCl, then bring system 50 to a temperature of −10 ° C. Put in refrigerator. A number of systems 50 were also filled with saline. The salinity of this water is It was close to normal seawater salinity. Before testing, place all samples in a refrigerator Left for hours. During this time, the water freezes and the internal stress of the formed ice But Sufficient time to relax. (A force 58 is applied to the sample, When applied at a constant strain rate of 100 μm / min) (via The maximum shear strength of surface 54 was measured. At the beginning of the load application, the stainless steel pipe 52 A DC bias ranging from -21V to + 21V was applied and maintained in between. Teff The Ron Cap 60 allowed the inner tube 52a to move with respect to the ice. During the experiment , DC power supply 63 provided a DC bias. By platform 64 , System 50. The load cell 56 is connected to the system by the insulating balls 66. Thermal and electrical isolation from the rest of the system 50. During mechanical testing, current, load and temperature are recorded on the computer hard drive. Was. For data recording, use the data acquisition board DAS-1800 and Lab View software. Using. Since ice adhesion is very sensitive to salt concentration, this concentration should be Measured in the melt. Before and after, the surface of the stainless steel pipe 52 is mildly abrasive. Rinsing with distilled water, methanol first, and again with distilled water I was rinsed. Cleaning procedures and control of salt concentration are important for data reproducibility . It is determined whether the application of DC power from the power source 63 causes a change in ice temperature. In several tests, a thermocouple (not shown) was attached to the ice 62 between the steel pipes 52 in several tests. Placed. No temperature change within the accuracy of these tests (± 0.05 ° C) Was. FIG. 9 shows typical loads versus time when testing the ice-steel interface under zero DC bias. The results of the interval diagram are shown. When the load reaches a maximum and then breaks when the interface breaks You can see that The residual resistance of the sample for a constant strain rate includes salinity This is due to the viscous sliding of steel on ice. Still, the application of the DC bias is Both the maximum strength of the interface and the residual resistance of the ice-steel sample can vary significantly. FIG. 10 shows an ice-steel interface when +6.6 V is applied to the inner (movable) tube 52a. 2 shows the results of a typical mechanical test performed in Example 1. FIG. 11 shows that -1.0 V is applied to the movable electrode. The result similar to that of FIG. DC bias affects interface strength In order to show the influence, FIGS. 9 and 10 are shown together in FIG. Like that The results of the various tests are summarized in Table 1 below. Table 1 shows, for the voltages tested, τ_maxIndicates that a significant decrease in was observed. This effect is V = + 6.6 volts Especially large in the case of. Table 1: 0.5% NaCl doped ice at T = −10 ° C. Maximum interfacial strength τ at the ice-steel interface_maxAnd residual shear strength τ_res In most recent tests, as shown in FIGS. 12A and 12B, When V = -21 V is applied to the electrode, the magnitude of the relative strength at the ice / steel interface becomes almost 1 It has been found that only a reduction can be achieved. σ₀Is the interface strength at V = 0, and σ is , V ≠ 0. To explain such a dramatic drop in ice adhesion, Factors other than interaction are required. That is, when a DC current flows through the ice, Hydrogen gas (H_Two) And oxygen gas (O_Two) But a small bubble-shaped bear At the ice / steel interface. As shown in FIG. 12C, these bubbles 67 The generation of interface cracks that appear when a load is applied to the interface (between ice 69 and metal 71) Plays a role in raw and reduces maximum interfacial strength.Additional tests and notes on the adhesion of ice to mercury As previously described, FIGS. 1 and 2 show a small DC bias (−6 V to −6 V). + 6V) shows a strong reversible effect on ice adhesion to mercury. This effect is KO H, HF and NaCl were observed in the doped ice, and Very pure ice has not had this effect. AC voltage up to 40V with ice Did not cause any noticeable changes in clothing. In this chapter, the low DC bias applied to the ice-Hg interface is The effect of adhesion on work is further described. This chapter describes long-distance electrostatic mutual The fraction of the ice-metal interface energy due to the action is also described. As described above, a liquid-solid interface was used instead of a solid-solid interface. actually Is that the interfacial energy that determines adhesion is one of the materials, as in the case of water-metal. Measured reliably in contact angle experiments when the liquid and the other material are solid It is. If the metal is in the liquid phase, similar techniques can be used for the ice-metal interface. You. Melting point -38.83 ° C, low chemical activity, and easy to clean surface The mercury prepared is very suitable for such experiments. Using electronic grade 99.9998% pure mercury and 1) very Pure deionized water, 2) distilled water, 3) untreated tap water, or 4) low concentration studies Made from deionized water doped with laboratory grade NaCl, KOH or HF Polycrystalline water was used. Most experiments were performed at T = −10 ° C. and 89% relative humidity to 9%. Performed in a 1% large freezer. Some experiments were performed at -5C, -15C and -20C. Performed at a temperature of ° C. Temperature control was ± 0.2 ° C. Two techniques were used to measure the surface tension at the ice-mercury interface. Purpose of demonstration The first technique is on a flat, smooth ice surface, as shown schematically in FIG. This is a conventional contact angle method using a mercury droplet. Before making contact angle measurements, remove the ice surface Smoothed with a klotome machine and polished on an optically smooth quartz plate. The second technique is a more accurate and highly reproducible method of FIG. 3 for an ice-mercury interface. A meter system was used. Pure water or doped water is placed in a quartz tube 31 and T = It was frozen in a freezer at -10 ° C. The quartz tube 31 has an inner diameter of 10 mm and is made of stainless steel. Stainless steel cylindrical reticulated electrode 30 and a thin stainless steel wire extending along the axis of the tube Was included. After freezing the water, carefully remove the wire and A thin circular capillary 33 with smooth walls was made. The radius r of the capillary is 0.5 mm or 0.25 mm. Before measuring the surface tension, the mercury tank 19 The capillary was filled with liquid mercury. To work on a new mercury surface during the measurement, the mercury 18 'was periodically pulled back into the mercury tank 19 and then pushed down into the capillary 33. For mercury fronts moving forward and backward, liquid mercury in capillaries and tanks The surface height difference h was measured. Two major factors limit the accuracy of this technique . First, due to the hysteresis of deposition, even on new mercury surfaces, You Was seen. Second, due to the granular structure of ice, with a typical particle size of 1 mm, The image of mercury in the tube was not clear. This is approximately 0.2 mm to 0.3 mm. Results in additional error. The resulting error is shown in the figure and text. , Consistent with the standard deviation of the tests performed by the applicant. In the equilibrium state, the difference h in the liquid level of mercury is (again) given by equation (2). h Is measured, Equation 2 also indicates that W_{i / a}-W_{i / Hg}Is used to calculate Therefore, the work of attaching ice to the liquid metal W_AIs expressed as follows. W_A= (W_{i / a}-W_{i / Hg}) + W_{Hg / a} (12) Where W_{Hg / a}Is the energy at the Hg / air interface. At -10 ° C, W_{Hg / a} = 493mJm^-2It is. Jasper, J .; Phys. Chem. Ref. Data, 1,841 (1972) Please refer to. The contact angle θ of mercury on ice was calculated from these experimental data and And as a function of the DC bias. θ = acos ((W_{i / a}-W_{i / Hg}) / W_{Hg / a}) (13) Experimental result In doped ice, a small DC bias is strong at the ice-mercury interface energy Influenced. Energy change Δ (W_{i / a}-W_{i / Hg}The size and sign of It depends on the polarity and size of the ass and on the type and concentration of the dopant. Different ba The effect of ias on the shape of mercury droplets on NaCl-doped ice is shown in FIG. Schematically shown in FIG. Table 2 shows that for the ice 20 'doped with different impurities, When different DC biases are applied between mercury and the mesh electrode, θ is calculated by using equation (13). The calculated values are shown. Table 2: When applying a different DC bias between mercury and the mesh electrode Contact angle θ of mercury on ice made of water containing different dopants; A positive voltage corresponds to a positive potential on mercury. FIG. 13 shows T = −1 for ice made of water doped with 0.5% NaCl. Change in work of adhesion ΔW measured at 0 ° C. by the “manometer” in FIG._A= Δ (W_i _{/ a} -W_{i / Hg}) Vs. bias V is shown graphically. As shown, the bias is mercury Of ice to the surface can be reduced or enhanced. Bias exceeds 6V When not, the effect is very pronounced for NaCl concentrations above about 0.05%. You. A positive bias corresponds to a positive potential on mercury. A negative potential of 2 V or less was applied W seen at -1.75V after_A(V) Mercury column first drops due to minimum dependence Then rise. For lower NaCl concentrations (<0.05%) or water made from tap water, To a lesser extent, in ice doped with 0.5% NaCl, mercury is Starts moving immediately after the application. For the purest ice made of deionized water, up to 40V DC bias in the air does not cause any noticeable change in ice deposition on mercury Was. With doped ice, the effects were completely reversible. That is, W_{i / Hg} Recovered after the bias was cut off. Still, in some cases, as described above, Hysteresis was observed in the silver movement. The maximum change in h observed is r = 0.2 It was 12 mm in the case of 5 mm. 14 and 15 show DC vias, respectively. Is the ΔW of ice doped with HF and KOH._AThe effect on The effect of DC bias on the adhesion of doped ice to mercury was determined at -5 ° C,- Although observations were also made at 15 ° C and -20 ° C, most measurements were made at -10 ° C. This The reason is that -5 ° C. doped ice has many small liquid inclusions. This is because ice at −20 ° C. often causes cracks in the apparatus. The measurement of the current-voltage characteristics showed that the change in ice adhesion (See FIGS. 13 to 15). For example, a factor of 20 In ice samples with different conductivity, ΔW_AAre at the same voltage position Pass through the minimum of the same size. Electric heating also played no role in the effect. Because, when the voltage is lower than the ice electrolysis threshold value (± 2 V), the current is several μm. A and several tens of μA, and the estimated temperature change rate is 10^-6Less than ° C / s Because. Therefore, the effect of electric heating was ignored. Due to the low solubility of all impurities in solid ice, the dopant dissolved in water Driven out by the growing ice front, and eventually within the grain boundaries and on the water surface Gathered on top to increase its conductivity. The results in this chapter show that the measured DC current Is the sum of the bulk current, surface current, and grain boundary current. In electrochemistry, FIG. 16 shows when the bias was “on” and “off”. Current peaks are usually due to accumulation and decay of the electric double layer at the electrolyte / metal interface. Will be explained with respect to The large current (≧ 1 mA) used when | V |> 2 is stable It did not, but steadily decayed over time. These currents are 20 seconds after the bias was switched “on” to plot The flow was measured. The polarity of the bias was reversed each time to prevent electrode buildup . Therefore, it is measured in the order of + 0.2V, -0.2V, + 0.4V, -0.4V, etc. Was done. The application of an AC voltage in the frequency range of 10 Hz to 10 kHz with an amplitude of up to 40 V W_ADid not cause any noticeable changes. As above, pure deionization In water, the application of a DC bias up to 40 V_{i / Hg}Cause noticeable changes in I didn't. To change the adhesion of very pure ice to metal, 1 kV to 3 kV is necessary. The different responses of pure ice and doped ice to DC bias are It is thought to be due to the difference in the electrical conductivity of these ices. Therefore, certain aspects of the invention In some embodiments, electrical “feedback” is used to determine the conductivity of ice in real time. And a DC bias is selected based on this measurement, and the Minimize the bond strength at the material interface. Those skilled in the art will be able to reduce the bond strength if desired. It can be increased in real time and based on the same feedback, Acknowledged that it could be increased in real time and based on the same feedback You should be aware. The ice is doped with NaCl or HF and the DC bias is Above the electrolysis threshold when there is a positive potential, a yellowish oxide film Appeared on silver surface. The film disappeared a few seconds after reversing the bias. However , When a negative potential is applied to mercury, there is no noticeable color change in the stainless steel mesh electrode. won. The electrolytic corrosion of the mercury surface is represented by ΔW shown in FIGS. 13 and 14._AV dependence It may be the cause of sexual asymmetry. In the case of ice doped with 0.2% KOH, There was no significant color change at the ice / Hg interface associated with food. There are other possibilities for abnormalities in the data. For example, stainless steel The doped ice-mercury sandwich structure behaves as a weak battery, A small electromotive force (EMF) is generated when there is a negative potential on top. This EMF is 0 . For ice doped with 5% NaCl, the voltage is -0.18 V, and 0.2% KOH At -0.3 V for doped ice. Other physical mechanisms are also subject to the effects described above. Ie, 1) electrostatic interaction of charges in the electric double layer at the ice-metal interface, 2) metal surface Released by the electro-oxidation and electro-reduction of redox (redox), and 3) the electrolysis of ice Gas-induced delamination of the ice / metal interface. These are: A brief description is given below. Electrostatic interaction Due to oxidation and reduction, there is always a potential difference V between the metal electrode and the electrolyte (ionic conductor)._C There is. Therefore, the standard potential V of mercury_OIs +0.7958 V at 25 ° C. water The actual potential between the silver electrode and the particular electrolyte depends on the pH of the electrolyte and is strongly acidic. From about +0.9 V in cold solutions to about +0.2 V in strongly alkaline solutions . Oldham, Fundamentals of Electrochemical Science, Academic Press, New Y ork, pp. 309-355 (1994). This contact potential V_CRelated to the interface Is an atomically thin positive charge of density + λ on mercury and the surface of the electrolyte And the ion space charge -λ in the lower layer. The energy of the interfacial electric field is It is expressed by an equation. Here, C (V) is V_C"Apparent" interfacial capacitance depending on temperature It is. In this case, the electrostatic part of the work of adhesion is given by: When an external bias V is applied to the interface, W ′_AIs represented by the following equation. This equation gives V = −V_CW 'at_APredict the minimum of. This type of dependency is 15, in the left side of FIG. 13 (V <0) and in the portion of −3V <V <0 in FIG. You. W '_ACan be compared to the predicted value of equation (16) and experimental observations. The current rises and decays by a number. A = 2 · 10^FiveAnd S is the area of the ice-Hg interface. These two files The actor has a stainless steel / ice interface that is assumed to be identical to the ice-Hg interface. Appears to do. This gives a rough estimate of the order of magnitude. Equation (17) is 0.4 F / m^TwoC is calculated with the approximate value of. This value is This is a very typical value for the electrode capacitance when immersed in a compressed electrolyte. C W 'below_AIs obtained. This result is the same as the above result (ΔW_A= 100-150mJ / m^Two). formula( Deviations in experimental results from 16) may be due to other effects described herein. You. W_APositions of the minimum values of are HF-doped ice and NaCl-doped For ice, it is -1.75 V, which is the expected V of Hg in the acidic electrolyte._CAbout value It is twice. However, the applied bias V is limited to the ice-stainless steel interface, ice-bulk interface. Surface and between the ice-Hg interface. Less than the threshold for ice electrolysis By value, when V is shared approximately equally between the two interfaces, the minimum observed is -2 -And H⁺Enters the ice as⁺And OH^-NaC to leave on the outside of the ice 1 doping is similar to HCl doping. Mercury V_CIs an alkaline electrolyte In the case of KOH-doped ice_AThe minimum of is It must, and in fact, be a low negative voltage (see FIG. 15). Oxidation and reduction As mentioned above, mercury in contact with acidic (HF and NaCl doped) ice When a stop potential is applied, a yellowish color is added together with mercury oxide (red in bulk). A film was observed. Presumably, this film is predicted by equation (16) FIG. 15 shows the KOH-doped ice in FIG._A(V) Great dependency Breaking the symmetry. Gas released by electrolysis Outgassing when | V | ≧ 2V can cause exfoliation of the ice-metal interface, thus And the work of adhesion W_ACan be reduced. Such a decrease is due to a 1 mA current About 0.15mm^Three/ S (H_Two+ O_Two13) to FIG. (However, there may be some reduction in V <-2V in FIG. 14). Perhaps These gases appeared to have easily escaped upward along the ice-mercury interface. It However, in the case of an ice-solid metal interface, the gas generated by the electrolysis of ice Cracks can occur, thereby reducing ice adhesion strength. Other interactions W_AThe minimum value of (V) between the space charge on metal and the space charge on ice If the electrostatic interaction is zero, the remaining W_A(0) -ΔW_minIs 190 ± 25 mJ / m for alkaline ice / Hg interface^TwoEqual to 290 ± 10 mJ / m for doped ice / Hg interface^Twobe equivalent to. in this case What is left is Lifschütz-Van der Waals and polar Lewis acid-salts It can be attributed to group interactions. A relatively small DC bias (−6V <V <+ 6V) can contribute to ice deposition on mercury. Effects are thus demonstrated. Depending on the polarity and magnitude of the bias , The work of adhesion can be reduced by 37-42% or increased to 70% obtain. In this small bias range, for very pure ice or AC voltage Below, no effect was observed. The electrostatic interaction of the charges in the interfacial electric double layer is One of the phenomena, with some contributions from outgassing and metal oxidation by electrolysis. It is the most plausible main mechanism. FIG. 17 (and sectional view 17A) illustrates a system 100 configured in accordance with the present invention. Is shown. The system 100 includes an ice 102 formed on a surface 104a of a material 104. It operates to reduce the adhesion of. The system 100 includes a material 104 and a conductive grid. And the power supply 109 (including the exemplary points “A” to “F” on the grid). Form a circuit including Grid 106 is insulated from material 104 Float on surface 104a so that it stays on. In a preferred embodiment of the invention, the suspension of grid 106 on surface 104a is Use of insulating grid 108 located between grid 106 and surface 104a Is obtained by FIG. 17A shows the grid 108 in more detail. Break of FIG. 17A The plan view is a constant to show the relationship between the insulating grid 108 and the conductive grid 106. It is not shown to scale. In practice, the grids 106, 108 (FIG. 1) The thickness (in the dimension of 7A) is much less than 1 inch (0.010-0. 020 inches) and can be considered as a "coating". Can be. By way of example, the grid 108 may be a thin coating of insulating paint. The grid 106 may comprise a thin coating of conductive paint. May be. Grid 106 is connected to function as a single electrode. Thus, the material 104 becomes the first electrode of the system 100 and the grid 106 , The second electrode of the circuit. The grids 106, 108 are also flexible and can be formed on the surface 104a. Is also good. Although a flat surface 104a is shown, the surface 104a may have any shape. Can also be represented. By way of example, the material 104 may be an aircraft wing or a car front The grids 106, 108 may be conformal (conf. ormal). When the ice 102 forms on the surface 104a, the ice 102 (as described above) Thus, the circuit of the system 100 is completed. When the circuit is completed, Power supply 109 provides a DC bias at the interface between ice 102 and material 104. This bias is typically less than a few volts. Therefore, the battery is 09. The magnitude of the bias depends on the desired application. Car windshield or For aircraft wings, the bias should be for minimal (or near-minimum) ice deposition , Thereby facilitating removal of the ice 102 from the material 104. However, for example, in the case of boots heels (ie, the surface 104a is the bottom surface of the sole). Ice 102 represents the ice below the heel, and the bias is between the ice and the heel. Selected to increase the normal ice adhesion strength of the shoe, thereby causing friction between the shoe Increase and probably prevent slippage on ice. The voltage regulator subsystem 112 also preferably includes the system 100 in a circuit. Connected to. As described in more detail below, the voltage regulator subsystem 1 12 is a circuit and power supply to reduce or increase the DC bias in an optimal manner. It works with source 109 in feedback. By way of example, the subsystem To measure data from the road and the conductivity (and / or temperature) of the ice 102. Circuit) and a microprocessor 112a to determine the degree). So Are then used by subsystem 112 and applied to the circuit. A signal that effectively changes the amount of C bias is generated. Specifically, one embodiment In response, the power supply 109 generates an appropriate voltage at the ice-material interface in response to this signal. You. The value of the DC bias can be determined, for example, via a look-up table and Based on the data, it may be stored in memory 112b within subsystem 112. An example For example, the conductivity “Y” (for certain applications, the system 100 may The electrical conductivity “X” (known a priori) in contact with the material 104 The ice, preferably measured in real time by the subsystem, is stored in memory 1 12b, which voltage is used at the ice-material interface via the look-up table. It is determined whether or not to apply. The grid electrode 106 preferably has ice 102 formed on the surface 104a. Ensure (at least) that at least some portion of lid 106 is in contact So that they can be spaced apart. For example, referring to FIG. 17, the ice 102 is at a point "C". Make contact with some areas of the grid 106, including ~ "E". Therefore, the system The circuit of 100 is that ice 102 covers at least a portion of the grid with material electrodes 106, 1. 04 to complete each "short circuit". The actual spacing between conductive regions of grid 106, such as region 114 in FIG. Should be sized for a particular application. As an example, the table If the surface 104a is the surface of an aircraft wing, the spacing is relatively large, for example, one square. Greater than feet. However, in the case of a car windshield, the windshield ( Smaller ice deposits (such as windshield corners) may short circuit to grid 106 For convenience, area 114 should be a smaller area if desired. You. FIG. 18 shows a system 130 configured in accordance with the present invention. Subsystem 1 One electrode 30 is an aircraft wing 132. The wing 132 of the aircraft is 4 are electrically coupled. DC power supply 136 is electrically coupled to DC ammeter 138 Is done. DC ammeter 138 is electrically coupled to inductor 140. Inductor 14 0 denotes a conductive paint 142 (or other conductive material conforming to the wing) via the wiring 141. Electrical equivalent). The conductive paint 142 is deposited on the aircraft wing 132. Is applied to the specified insulating layer 144. The insulating layer 144 and the paint 142 are preferably described with respect to FIG. It is configured as a grid pattern as further shown in FIG. In FIG. , The conductive layer 142 'on the wing 132' and the insulating layer 144 '(here, an insulating lacquer). Form a grid pattern 145. Therefore, the power supply 13 6 'is connected to the conductive paint 142' and grounded via the wing electrode 132 '. Connecting. If ice forms on the wings 132 ', the circuit will be shorted by the ice, reducing water adhesion. A DC bias is applied to the ice-wing interface to reduce and facilitate ice removal. Preferably, the total area covered by the insulating lacquer 144 'is the leading edge of the wing 132'. Does not exceed about 1% of portion 132a '. The grid pattern 145 varies in size. And over the leading edge 132a 'as shown, or the entire wing 132' Placed on the body or on some other area as a design choice obtain. Therefore, past ice deposits typical of particular wings and aircraft Or other wing or aircraft manufacturer with data, The grid 145 can be provided only on the specific area. Voltage applied between wings 132 and 132 'of FIGS. 18 and 19, respectively. Is generally adjusted between 1 and 6 volts, and the corresponding current is It is 1A per square meter of pad area. One skilled in the art will recognize the various insulating lacquers 144 'and conductive paints 14 available commercially. 2 and certain brands selected after testing icing simulation You should recognize that it should be done. In addition, the optimal The spacing (ie, to determine the size of region 114 in FIG. 17) can also be empirically determined as Or, it should be determined by analysis of a particular design. With further reference to FIG. 18, DC ammeter 138 further includes a feedback subsystem. It may be further coupled to stem 150. Next, the feedback subsystem 150 Electrically coupled to a DC power supply 136, depending on properties such as ice conductivity and temperature. To "control" the DC bias applied to the wing-ice interface. Therefore, the temperature sensor 152 also preferably connects to circuit 130 to measure the temperature of ice 154. Another feature of the system 130 is that the AC power meter is electrically coupled to the AC ammeter 158. A source 156 (operating between about 10 kHz and about 100 kHz) may be included. next , AC ammeter 158 is electrically coupled to conductive paint 142. Current comparator 160 Is electrically coupled to both AC ammeter 158 and DC ammeter 138. An icing alarm subsystem 162 may also be included with system 130 . Current comparator 160 initiates certain events, for example, as described below. Icing alarm subsystem 144 and feedback subsystem 1 50. A DC ammeter may be used to measure the DC conductivity of circuit 130. DC The conductivity signal measurement is fed to feedback subsystem 150 and current comparator 160. And provided to. Next, the feedback subsystem 150 includes the DC power supply 136. Adjust the current supplied by. The AC ammeter operates the circuit 130 within an applied frequency range of, for example, 10 to 100 kHz. Can be used to measure AC conductivity. AC conductivity signal measurement is current comparison Unit 160 (and optionally feedback for A / D and data processing) 150). A comparison of AC and DC conductivity is provided in system 130. More often used to distinguish between water and ice that "short circuit" the circuit and complete it. You. Specifically, the ratio of AC to DC conductivity is greater for ice than for water. A signal measurement that easily distinguishes ice from water because it is only two to three orders of magnitude larger Provide a value. Thus, when ice forms on wing 132, current comparator 160 provides feedback feedback. Subsystem 150, and then the feedback subsystem 150 C power supply 136 to increase or decrease the DC bias at the ice-wing interface. You. The DC bias is such that the ice adhesion strength of ice 154 on wing 132 is minimized. The size (generally between 1 and 6 volts) is chosen. When the wing 132 is deiced, the signal difference received by the current comparator 160 The current comparator 160 deactivates the icing alarm 162. Become At the same time, the current comparator 160 0 and then the feedback subsystem 150 sends a signal to the DC power supply 136. , To reduce the bias to the initial level. That is, the ammeters 138 and 158 are connected between the grid electrode 142 and the wing 132. It is used to determine the conductivity of the material that is shorted at. As shown, the material The charge is ice 154. In this way, the system 130 automatically distinguishes between ice and water. I do. The inductor 140 is the part that needs to be precisely controlled to change the ice adhesion strength. Prevent AC voltage from entering the "DC" section of a circuit. Feedback subsystem The system 150 includes filters such as ice temperature and ice conductivity (and / or ice purity). Command the power supply 136 with a DC bias close to the optimum based on the feedback data. May include a microprocessor and memory to control, preferably Or these. The feedback circuit preferably comprises a sub-system 162 0.1mA / cm after receiving ice alarm signal from^TwoDensity (or ice -About 1 mA / in at the wing interface^TwoDC bias voltage at a level that provides Increase or decrease. Thus, for a current of about 10 A to about 30 A, a typical Large airplanes require a total energy consumption of about 100 watts to about 500 watts. Is required. Therefore, the “DC” part of the circuit of FIG. 18 mainly applies a DC bias to the ice-wing interface. Operate to provide, and second (if desired), measure the DC conductivity of the ice 154 To work. Therefore, the "AC" part of the circuit of FIG. Operate to measure rate. Therefore, the rest of the circuit of FIG. An inductor to prevent signal coupling between part C and AC part, and (b) (compared to water) Ice detection and / or measurement feedback parameters such as ice temperature and conductivity. Feedback to control the applied DC bias based on the parameters and A measurement and control circuit is provided. FIG. 20 illustrates one other system used to deice an aircraft wing 202. 200. The DC power supply 201 includes a wing 202 (which serves as a first electrode). Wings 202 may be conductive or coated with metal foil or conductive paint To the conductive grid 204 that is electrically insulated from the wings 202. Supply ias. Grid 204 is located between wing 202 and grid 204 The insulating film 206 is insulated from the wing 202. The grid 204 is shown in FIG. 0 serves as the second electrode in the circuit. Ice 210 on the wings 202 When the ice 210 crosses the circuit, a DC bias occurs at the interface between the wing 202 and the ice 210. Ass is given. FIG. 21 increases the friction between the car tire 252 and the ice 254 on the road 256. 3 shows a system 250 used for adding. As shown, tire 252 Are multiple conductively doped switches (using iodine or the like) to conduct current. Includes trip 252a. The DC power supply 258 is Connects to lip 252a to generate a DC bias to ground 262. Power supply 2 The DC voltage difference created by 58 is between about 5V and about 1000V (typically Is in the range of 10V to 100V). DC power is also available on ice 254 (or snow). To determine the conductivity of the DC and the DC bias accordingly , Including a voltage regulation circuit (as described above) and a feedback subsystem You may. Remotely sample the ice temperature as known to those skilled in the art and Non-contact temperature sensor ( (Not shown) may also be used. Voltage is applied to strip 252a via electrical control lever 266. Place To obtain the highest adhesion for a given voltage range, alternate alternating stripes, if desired The trip 252a is driven at a plus or minus potential via the power supply 258. Is also good. System 250 is not being used (eg, by an electromechanical controller) When not in operation, lever 266 may be moved upwards out of the way. Power supply 258 is connected to the wheel axle 270 so that the lever 266 and the current source A constant distance is maintained between. One skilled in the art can weld the strip 252a onto an existing tire (or tire material). And use less or more strips 252a. You will recognize that you can use it. In fact, tire 252 becomes electrically conductive. It may be completely doped as such. In this case, no strip is needed. One skilled in the art will use the circuit shown in FIG. 18 for the tire system of FIG. You should be aware that you may. However, DC and DC in such embodiments The AC voltage is applied to the adjacent strip 252a to separate these two signals. (Shown as + and-, respectively). Between strips 252a The applied DC voltage is small (about 10V) before receiving the ice alarm, After the signal, it is switched to a high voltage of 100V to 1000V. FIG. 22 shows a system that increases the friction between the vehicle tire 302 and the icy road 304. The stem 300. In the tire 302, an electric current flows through the rubber of the tire 302. Doped or manufactured to obtain. AC power supply 306 is housed in car 308 And connected to the tire 302 via an appropriate wiring 309 (this wiring is The rotation of the wheel is not hindered by the connection through the through. ) AC power supply 306 Applies a high-frequency signal (10-1000 kHz) to the tire 302 at a high frequency. The signal provides a substantially DC voltage between the tire 302 and the road 304. You. The voltage preferably increases the friction between the ice 310 and the tire 302 The magnitude of the voltage. FIG. 23 shows a system including a car window 402 connected to a DC source 404 in the circuit. Shown is a stem 400. The window material becomes one conductive electrode of the system 400. (SiO 2 doped with ITO or fluoride)_TwoDope etc.) . The other electrode is provided by a transparent conductive strip placed on window 402 A grid 406 to be formed, between the grid 406 and the window 402 It is electrically insulated by an insulating grid (not shown). Preferably, as described above The voltage regulator subsystem 408 monitors factors such as water conductivity and temperature. When ice bridges the gap between grid 406 and window 402 (Compared to water) and applied to the interface between ice and the window The DC voltage is biased to a point of near-minimum ice deposition. For example, see FIG. No. The insulating grid below grid 406 is similar to layer 144 'in FIG. The grid 406 is preferably such that each point on the grid 406 is at a constant potential. Connected. Another window grid and electrode pattern is shown in FIG. 23A. This pa The turn comprises a first electrode 452 (coupled to the first grid) and a first grid. And a second electrode 454 coupled to a second interleaved grid. DC source 450. The system of FIG. 23A differs from that of FIG. And may include additional circuitry and controls as described herein. . The anti-icing grids of FIGS. 23 and 23A are preferably LCD technology and solar Consists of a conductive transparent coating common in battery technology. Conductive on window Typically, a DC voltage of 1 to 2 V is applied to the comb grid of the transparent electrode. The desired bias may depend on the electrode material and the manufacturer. The electrodes are It may be applied on a lath or may be deposited. As shown herein, automotive windshields are acceptable semiconductors (Including transparency), such as ITO or fluoride doped S iO_TwoIt should be understood that these may be doped. Another transparent coating For example, doped polyaniline. Uses lithium ion conductive glass May be. In the case of automobile tires, copolymers are embedded in the rubber to convey electricity. -Carbon deposits may be used. Iodine may be used. Australian CSIRO May be used with the present invention. FIG. 24 illustrates a transmission line ice control system 500 configured in accordance with the present invention. This Is connected to the transmission line 506 doped by the line 504. Force control module 502 (a DC power source, preferably as described herein, preferably , Voltage regulation, and functions such as DC and AC ice detection and measurement) including. Wiring 506 is shown in the exemplary cross-sectional view of FIG. Not to scale). Thus, the wiring 506 is composed of the main transmission line 508 and the insulating layer 510. And Both the main transmission line 508 and the insulating layer 510 are known to those skilled in the art. . The doped outer layer 512 surrounds the insulating layer 510 and allows the module 50 in the circuit. 2 provides an ice controlled DC bias. The conductive grid 514 has the length of the wiring 506. Extend axially along with (with any surrounding wiring) grid 514 and layer 512 The insulating grid 516 (also arranged axially) between the Electrically insulated from When the ice 520 is formed on the wiring 506, the ice 520 forms a circuit. A short circuit occurs and a DC bias is applied to the interface between layer 512 and ice. Positive bias Adjusting the size to a suitable size makes it easier to remove ice 520 from wiring 506. It is. FIG. 25 selects the friction between the ski and snow / ice by changing the ice adhesion on ski 602 System 600 configured in accordance with the present invention to increase or decrease Show. The system 600 is shown with a view of the bottom surface 602a of the ski 602. On the bottom surface 602a, a grid 604 (eg, As shown here, and as shown herein, by an insulating grid. (Including a conductive grid spaced from surface 602a). Battery 606 is connected to the grid 604 and the bottom surface 602a to provide a DC bias to the circuit. Offer. Controller 608 senses the conductivity (and optionally temperature) of the ice, Adjust the bias generated by battery 606. The ski bottom surface 602a Consisting of semiconductor material, doped or wrapped in conductive strips A locker is awarded. When in contact with snow or ice, the controller controls the applied voltage Thus, the friction between ski 602 and snow and ice is controlled. One skilled in the art will appreciate that the controller (and / or battery) is illustrated in FIG. You will recognize that it is shown. These physical locations are a matter of design choice Matter, which may be on the top of the ski, and may be You may be in the ending. Further, the controller is responsive to the user input, The friction may be changed in real time. For example, (Cross Country Skiers who are climbing a slope (e.g. Stem 600 increases friction in response. Users also say "reduce friction" And the controller can determine the ice / snow ice adhesion strength to the bottom surface 602a. Command the bias to minimize FIG. 26 shows an embodiment of the invention for changing the ice / snow adhesion of ice / snow on the bottom of a shoe 699. 3 shows yet another embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 26 shows a system including a battery 702. Shown is a stem 700. To illustrate two alternative electrode designs for illustrative purposes only There are two batteries 702 shown in FIG. In the first design, the heel 699a (book The battery 70 is made conductive by techniques known to those skilled in the art as set forth in the specification. 2a is spaced from the conductive heel 699a as shown herein (and (Connected to conductive grid 704). If you come in contact with snow or ice, Ice bridges the circuit, providing a DC bias to the ice-heel interface, increasing friction You. The other design in FIG. 26 shows that a small surface such as a shoe 699 is actually a grid electrode. Is exemplarily shown in that no is required. Rather, with a single electrode 706 (Similar to the above, the electrode 706 is formed by the insulating layer 706a). Spaced from the soles). Here, the sole is conductive (or The circuit is completed when snow or ice contacts the electrode 706). Optimal DC bias from battery 702b to increase shoe traction Is done. FIG. 27 illustrates one embodiment of the present invention suitable for reducing or removing ice from power line 700. 3 shows two preferred embodiments. The inset in FIG. 27 shows the power transmission configured according to the invention. FIG. 4 shows a cross-sectional view of line 700. As is known in the art, conventional transmission lines 7 02 produces 60 Hz of power, but very low power, such as 10,000 volts / inch. Has a high electric field. According to the present invention, a coating of thickness “t” is placed on line 702. Ring 704 is provided. In one embodiment, the coating 704 is a well-known in the art. Thus, it is a ferromagnetic material. Ferromagnetic materials are inherently very expensive under certain conditions. 10), and a relatively low dielectric constant (3 to 5) and a small dielectric loss under other conditions. Lost ceramic. One condition that can change the dielectric constant is temperature It is. In a preferred aspect, the material has a low dielectric constant above the freezing point, The dielectric constant is selected to be higher at temperatures below the solid point. Ambient temperature is freezing point Below, due to the high dielectric constant and loss, the coating is Strongly heated by the field. One of ordinary skill in the art will appreciate that the above embodiments allow the coating temperature to approach the melting point due to self-regulation. (Or slightly above the melting point). You should be aware. If the electric field in the transmission line overheats the coating, The coating automatically undergoes a phase transformation from ferromagnetic to a standard state, at which point Stopping the absorption of electric field energy. Therefore, select the phase transition temperature. This allows the coating temperature to be adjusted according to the user's requirements and the local environment. Can be adjusted for each condition. Coating 704 is applied in the presence of an AC electric field, such as generated by line 702. Generates heat. Specifically, coating 704 is thermally And thus the coating is exposed to the oscillating electric field of line 702. As a result, heat is generated. The thickness "t" is typically on the order of 1/100 of an inch, Other thicknesses may be provided depending on the lining material and the desired heating. For example By changing the thickness, the temperature of the surface 704a can be 1 to 10 degrees or more. Increase Can be added. Thickness "t" is the desired amount of heat (i.e., ice on surface 704a of line 700). And enough heat to melt the snow altogether). If the coating exhibits low dielectric constant and dielectric loss (i.e., the coating Much higher than the "freezing point" or any other desired temperature). Much heat is generated by the coating 704, which results in much less energy Energy is consumed by line 702. Coating 704 may also be made of a ferromagnetic material having the same or similar effect. It may be configured. In this case, the coating is the energy of the magnetic field generated by the transmission line. Absorb ghee. Specifically, when a ferromagnetic material is placed in an oscillating electric field (AC), the material will have a dielectric loss Is heated by an electric field. The heating power per cubic meter is as follows. Is represented as Where ε ′ is the relative dielectric constant (usually ε ′ is about 10^Four), Ε_OIs the dielectric constant of free space (ε_O= 8.85E-12F / m), ω is the angular frequency of the AC electric field (ω = 2πf, where f is the transmission The normal frequency of the wire, eg, 60 Hz for a conservative transmission line It is. Ferroelectrics have a so-called Curie temperature T_cΕ 'and tan at lower temperatures δ is a very large value and T_cΕ 'and tan δ are smaller at higher temperatures It is characterized by that. Thus, the dielectric loss (or the heating power of the AC field) is T_c T lower than_cVery high at temperatures close to, large at temperatures above Factor (for example, 10⁶) Only drop. This makes it close to the melting temperature or T just above the melting temperature_cHas a coating 704 as described above. Is the best choice for Such coatings have an external temperature of melting point T_mLower than When it becomes, it absorbs electric power, and T_mHeated to a higher temperature than As a result, the coating turns into a normal insulator again (ie, absorbs a significant amount of electric field). No longer). Thus, when such a coating is placed in an AC electric field, the ferroelectric material has a T_c Close to and T_mMaintain a constant temperature just above. This self to prevent icing The adjustment mechanism is very economical. That is, by changing the coating thickness, And / or neutral (non-ferroelectric) insulating paint or plus coating By adding ticks, per meter of power line or protected 1m on any surface^TwoThe maximum heating power per unit can be increased or decreased. Examples of suitable ferroelectric materials according to the present invention include: Table 3: Ferroelectric materials As an example, Pb_ThreeMgNb_TwoO_gConsider the heating power calculation for. In this example e) Consider transmission lines. The electric field strength on the wire surface is Or 3 kV / cm. Here, L is the distance between the wires (L = Substituting 60 Hz, ε '= 104, and tan δ = 10, W (1 mm, 6 0 Hz) = 4.5E5 watts / m^ThreeBecomes Therefore, for example, a film having a thickness of 1 mm , 450 watts / m^TwoGenerate This value is more than adequate for typical ice melting. large. When applied to power transmission lines, the maximum power that can be dissipated in the coating is Capacitance C_TwoIs limited by You. This value is sufficient energy to maintain a 1 meter long cable in ice-free condition. It is. In addition to ferroelectrics, almost any semiconductor coating offers a similar effect I do. To reach the maximum performance of equation (21), the dielectric conductivity of the coating ( dielectric conductivity) σ must satisfy the following conditions. Where ε is the dielectric constant of the coating, ε_OIs the permittivity of free space . is there. Such conductivity is a property of many undoped semiconductors and poor quality. Very typical values for the rim. Thus, such coatings are expensive No (certain paints are suitable for these coatings). In addition, The same temperature "adjustment" of the temperature is due to the strong temperature dependence of the conductivity of the semiconductor material (eg, Numerical dependence). Therefore, the optimal condition according to equation (22) is A narrow temperature interval where the melting of the ice melts and otherwise consumes little power For example, −10 ° C. ≦ T ≦ 10 ° C. One of skill in the art will recognize that other surfaces, such as those described herein, may be coated with these coatings. It should be recognized that the processing may be performed by using. For example, such a coating When applying coatings to aircraft wings, exposing the coating to AC, By increasing the AC of this equation as in equation (19) above, melting capability is provided. As an example, Pb_ThreeMgNb_TwoO_gIn the case of, the frequency of 100 kHz is 1 mm thick W (1 mm, 100 kHz, 3E5 V / m) = 750 kW / M^TwoHeat to FIG. 28 illustrates the use of such a coating to render a non-active surface (i.e., internal AC power). 2 shows an embodiment of the present invention for deicing a surface without a field. In FIG. 28, the ferroelectric The coating 800 is applied to a structure 802 (eg, an aircraft wing). Foil Poles 804a, 804b provide the application of AC power to structure 802. AC power Are obtained from a standard AC power supply 806. Ice detection in circuit with structure 802 System 808 (eg, the detection system of FIG. 18) preferably includes a power supply 806. Inform the structure 802 that there is ice. Thereafter, AC power is applied. AC frequency and coating thickness (e.g., no icing on aircraft wings Selected to generate the desired amount of heat. Thus, the present invention provides, among the objects apparent from the foregoing description, Achieve the goal. Without departing from the spirit of the invention, the apparatus and method described above Certain changes may be made, either included in the above description or included in the accompanying drawings. All matters presented are to be construed as illustrative and not in a limiting sense Is intended. For example, those skilled in the art will appreciate that grid electrodes as described with respect to FIG. Applies to surfaces such as roofs, oil lines, driveways, and other areas where ice accumulates You will recognize that you may. In view of the above, the following is claimed.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号６０／０７９，９１５ (32)優先日平成10年３月30日(1998．3．30) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ【要約の続き】明は、航空機の翼、自動車のフロントガラス、スキーの底面、長靴または靴のかかと部または底部、および送電線の外側材料、などの物体に対して高い適用可能性を有する。本発明はまた、送電線の温度を融点のすぐ上の温度に自動調整するために送電線に付与される強誘電性、強磁性、または半導体コーティングを含む。────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (31) Priority claim number 60 / 079,915 (32) Priority date March 30, 1998 (March 30, 1998) (33) Priority country United States (US) (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, L S, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ , BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL , AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, E E, ES, FI, GB, GE, GH, GM, GW, HU , ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, M D, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL , PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, V N, YU, ZW [Continuation of summary] Ming of aircraft wings, car windshields, skis Bottom, boots or shoes heel or bottom, and power transmission High applicability to objects such as wire outside materials I do. The present invention also provides that the temperature of the transmission line can be increased to just above the melting point. Ferroelectricity given to the transmission line to automatically adjust each time Including ferromagnetic or semiconductor coatings.

Claims

[Claims] 1. A system for changing the adhesion strength of ice attached to an object, the system comprising: An electrode that is electrically insulated; and an electrode coupled to the object and the electrode, wherein the ice is connected to the object. A DC source for generating a DC bias at an interface between the DC bias and the DC bias. The ice adhesion strength is compared to the ice adhesion strength when the surface bias voltage is substantially zero. A system having a voltage that selectively changes degrees. 2. The system of claim 1, wherein the DC source is a battery. 3. And further comprising an electrically insulating material disposed between the object and the electrode. The system of claim 1, wherein the material has substantially the same shape as the electrode. 4. A grid electrode, wherein the electrode is shaped to conform to the surface of the object; And wherein each point of the grid electrode is in electrical contact with the DC source. On-board system. 5. A grid insulator disposed between the object and the grid electrode; The system according to claim 4. 6. The system of claim 1, wherein the object comprises an aircraft wing. 7. The system of claim 1, wherein the object comprises a windshield of a motor vehicle. 8. The system of claim 1, wherein the object comprises a ski bottom. 9. The method of claim 1, wherein the object comprises a heel or sole or boots or shoes. On-board system. 10. The system of claim 1, wherein the object comprises an outer material of a power line. 11. The system of claim 1, wherein the object comprises a vehicle tire. 12. The system of claim 1, wherein the object is doped to conduct electricity. M 13. An electrically insulating lacquer disposed on the surface in a selected pattern Wherein the electrode comprises a conductive paint disposed on the lacquer. Item 2. The system according to Item 1. 14． Determines the DC conductivity of the ice connected to the electrodes and the power supply in a circuit The system of claim 1, further comprising a DC ammeter for performing the operation. 15. An AC source, connected to the electrode and the power source in a circuit, and to the AC conduction of the ice; 15. The system of claim 14, further comprising: an AC ammeter for determining a rate. . 16. The AC source has one or more frequencies between about 10 kHz and about 100 kHz; The system of claim 15, wherein the system generates: 17． Coupled to the DC ammeter and the AC ammeter, wherein the DC conductivity and Further comprising a current comparator for generating a signal representative of a ratio between AC conductivity. The system of claim 15. 18. To evaluate the signal, and that ice or water is applied between the electrode and the object. A feedback subsystem to determine whether the short circuit between 18. The system of claim 17, further comprising: 19. Configured and arranged to measure ice temperature, and providing a signal indicative of the ice temperature; The temperature sensor for sending to a feedback subsystem. System. 20. If ice corresponding to the preset value of AC ice conductivity vs. DC ice conductivity is detected, 19. The system of claim 18, further comprising an icing alarm that activates the system. M 21. The feedback subsystem reduces the DC bias to about 1 volt. 19. The system of claim 18, wherein the system is maintained at a value between about 6 volts. 22. Further includes an inductor to reduce cross-coupling between the AC and DC signals. The system according to claim 15. 23. Feedback subsystem for determining DC conductivity and temperature of ice Further comprising: wherein the subsystem controls the DC source so that the determined conductivity and Coupled to adjust bias and minimize bond strength in response to temperature and temperature The system of claim 1. 24. The feedback subsystem provides one interface per square inch at the interface. The system of claim 1, wherein the DC bias is controlled to provide up to 10 amps. . 25. A DC power supply providing a voltage difference between about 1 volt and about 6 volts; The system of claim 1. 26. The object comprises a car tire and the DC source provides a high frequency voltage AC to apply a DC bias between the tire and a road in contact with the tire A power source, wherein the bias is selected to increase the ice adhesion strength. The system of claim 1. 27. Selectively changing the DC bias to increase or decrease the ice adhesion strength The system of claim 1, further comprising a user interface for causing the user to: 28. Providing power to different locations via suspension above the ground, such as via a telephone pole In transmission lines of the type, the improvement is a coating covering the surface of the line. The coating generates heat in response to an electric field generated by the wire. A transmission line having a thickness and a dielectric constant that grows and melts ice and snow on the line. 29. 29. The improvement of claim 28, wherein the coating is a further improvement comprising a ferroelectric material. power line. 30. 29. The method of claim 28, wherein the coating is a further improvement comprising a ferromagnetic material. The described transmission line. 31. So that the thickness corresponds to the desired heat generated by the coating 29. The transmission line according to claim 28, which is a further improvement selected from: 32. The coating comprises a ferroelectric permittivity that varies as a function of temperature; The coating has a low dielectric constant at temperatures approximately above the freezing point, 29. The improvement of claim 28, wherein the improvement is a higher dielectric constant at lower temperatures. Power lines. 33. 29. The method of claim 28, wherein the coating is a further improvement comprising a semiconductor material. The described transmission line.