close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАПЕЛЬ И СТРУЙ МАГНИТНОЙЖИДКОСТИ С МАГНИТНЫМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЯМИ

код для вставкиСкачать
на правах рукописи
Борисенко Олег Васильевич
ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАПЕЛЬ И СТРУЙ МАГНИТНОЙ
ЖИДКОСТИ С МАГНИТНЫМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЯМИ
Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Ставрополь – 2015
2
Работа выполнена в ФГАОУ ВПО
«Северо-Кавказский федеральный университет»
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук, профессор
Диканский Юрий Иванович
Официальные оппоненты:
Жакин Анатолий Иванович,
доктор физико-математических наук, профессор
ФГАОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», кафедра общей и прикладной физики, профессор
Иванов Алексей Сергеевич,
кандидат физико-математических наук,
Уральское отделение Российской академии
наук, Лаборатория динамики дисперсных
систем Института механики сплошных сред,
научный сотрудник
Ведущая организация:
Федеральное государственное автономное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального образования «Уральский
федеральный университет»
Защита состоится 16 сентября 2015 года в 15 часов 00 минут на заседании
диссертационного совета Д 212.245.06 при ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский
федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1,
ауд. 416.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «СевероКавказский федеральный университет» по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр.
Кулакова, 2 и на сайте университета: http://www.ncfu.ru/text_dissert.html
http://www.ncfu.ru/index.php?do=static&page=disser_borisenko_ov
Автореферат разослан «_____» июля 2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат химических наук, доцент
В.А. Тарала
3
Актуальность проблемы. Высокодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков, синтезированные около пятидесяти лет назад, получившие название «магнитные жидкости» (МЖ), до настоящего времени остаются объектом, привлекающим
интерес широкого круга исследователей явлений, связанных с взаимодействием
электромагнитного поля со средой. Это объясняется как возможностью практического применения магнитных жидкостей в машиностроении, приборостроении,
медицине и т.д., так и возникновением целого ряда фундаментальных проблем
физического, физико-химического и гидродинамического характера.
Несмотря на то, что в настоящее время широко исследованы электрические,
магнитные, тепловые и другие свойства магнитной жидкости, и влияние на них
магнитного и электрического полей, остаются открытыми ряд вопросов. К ним, в
том числе, относятся особенности взаимодействия ограниченных объемов магнитной жидкости с магнитными и электрическими полями. В частности, остается
слабоизученным поведение капли магнитной жидкости в неоднородном и во вращающемся магнитных полях, в процессе которого может изменяться как степень
деформации капли, так и развиваться внутренние вращения микрочастиц. Остаются также до конца невыясненными механизмы переноса заряда в магнитных
жидкостях и особенности протекания в них электрокинетических явлений. Между
тем с ними связано изменение физических свойств магнитных коллоидов и эффективность взаимодействия их ограниченных объемов с магнитным и электрическим полями.
Таким образом, экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия капель и струй магнитных жидкостей с магнитными и электрическими
полями, выяснение особенностей электрокинетических процессов, происходящих
в таких средах при наличии магнитного поля является актуальным как с научной,
так и практической точек зрения.
Настоящая работа выполнялась в рамках реализации базовой части государственного задания Министерства образования и науки РФ высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности, проект № 2479:
«Эффекты взаимодействия магнитных коллоидных наносистем и композицион-
4
ных сред на их основе с магнитным и электрическим полями».
Цель работы: Исследование особенностей взаимодействия капель магнитной жидкости с различной микроструктурой с вращающимся и переменным магнитными полями, а также взаимодействия струй с магнитным и электрическим
полями.
Задачи исследования:
1. Установить особенности движения капель магнитной жидкости в вязких средах при воздействии внешнего однородного вращающегося магнитного поля, связанные с деформацией и структурно-кинетическими процессами, происходящими
в системе микрочастиц.
2. Исследовать влияние микроструктуры магнитных жидкостей на макроскопическое взаимодействие капель таких сред с переменным магнитным полем, установить связанные с ним особенности их движения в неоднородном магнитном поле.
3. Изучить процесс взаимодействия двух струй в скрещенных магнитном и электрическом полях с целью определения величины поляризационного и индуцированного зарядов, образующихся под действием электрического поля на поверхности струй.
4. Разработать новую методику исследования электрофореза в магнитных жидкостях, позволяющую использовать наличие сильных магнитных свойств у частиц
дисперсной фазы. Уточнить механизмы переноса заряда в магнитных жидкостях.
Объектом исследования являются капли и струи магнитной жидкости.
Предметом исследования являются особенности поведения капель и струй
магнитной жидкости при воздействии на них магнитных и электрических полей.
Научная новизна результатов исследования:
1. Установлены и теоретически обоснованы особенности движения капли
магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле, обусловленные вращением деформированной магнитным полем капли:
– отклонение направления движения капли магнитной жидкости, падающей в
однородном вращающемся магнитном поле от вертикали и его зависимость
5
от частоты вращения поля, имеющая максимум при некоторой частоте;
– зависимость указанного отклонения от межфазного натяжения на границе
«капля – среда».
2. Впервые исследованы особенности взаимодействия капель магнитной
жидкости, содержащей хорошо развитую систему намагниченных агрегатов с
вращающимся магнитным полем, показано, что в этом случае вращение капли не
связано с ее деформацией, а обусловлено внутренними вращениями намагниченных агрегатов.
3. Установлены особенности поведения капли магнитной жидкости, содержащей хорошо развитую систему намагниченных агрегатов, в переменном магнитном поле – при некоторой частоте и амплитуде напряженности переменного
поля капля приходит во вращательное движение, угловая скорость которого нелинейно зависит от частоты поля. Сделан вывод о возможности при определенных
условиях синхронизации вращений отдельных агрегатов частиц, содержащихся в
капле.
4. Впервые проведено исследование взаимодействия двух параллельных
струй магнитной жидкости в совместно действующих магнитном и электрическом
полях. Показана возможность компенсации сил взаимодействия струй, вызванных
электрическим полем при дополнительном действии магнитного поля. На основе
теоретического анализа эффекта компенсации взаимного отталкивания струй в
электрическом поле за счет их взаимного притяжения в магнитном поле проведены расчеты плотности индуцированного на поверхности струй заряда.
5. Разработана оригинальная методика исследования электрофореза в магнитных коллоидах, отличающаяся от ранее известных, использованием сильных
магнитных свойств коллоидных частиц.
Научная и практическая значимость. Полученные результаты исследования особенностей движения капель и эффектов взаимодействия струй магнитных
жидкостей, помещенных в магнитное и электрическое поля внесли определенный
вклад в развитие фундаментальных проблем физики жидких намагничивающихся
сред.
6
Предложенный на основе обнаруженного эффекта компенсации сил взаимодействия струй при совместном действии магнитного и электрического полей бесконтактный метод определения плотности заряда на поверхности, помещенной в
электрическое поле струи магнитного коллоида позволяет получить более полную
информацию о механизмах накопления заряда на межфазных границах коллоидных систем при воздействии электрических полей.
Установленные особенности движения капель магнитных жидкостей в неоднородных и вращающихся магнитных полях могут быть полезны при решении
проблем управления внешними полями потоками магнитных аэрозолей.
Обнаруженные особенности взаимодействия с внешними переменными полями магнитных жидкостей, в которых возможно образование намагниченных агрегатов могут быть использованы при проектировании устройств и приборов, в
которых магнитная жидкость используется в качестве рабочего тела.
Методология и методы исследования.
В настоящей работе использованы как экспериментальные, так и математические методы и подходы. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов магнитных и электрических измерений. Для теоретического анализа и интерпретации полученных результатов использовались методы прикладной математики и программирования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя экспериментальное и теоретическое
изучение проблем взаимодействия жидких сред с электрическим и магнитным полями. В работе исследованы особенности поведения капель и струй магнитных
жидкостей в электрическом и магнитном полях, обусловленные как процессами
деформации, так и изменением микроструктуры магнитных жидкостей при воздействии внешних полей, а также механизмы накопления зарядов на межфазных
границах и особенности электрокинетических процессов в таких средах. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2, 4 и 5 паспорта специальности.
7
Научные результаты, выносимые на защиту:
1.Эффект отклонения падающей капли магнитной жидкости от вертикали
при дополнительном воздействии вращающегося магнитного поля и его теоретическое обоснование на основе проявления сил Магнуса, а также сделанный на основе анализа полученных результатов вывод о несущественной роли внутренних
вращений коллоидных частиц в исследованной среде.
2.Сделанный на основе результатов экспериментальных исследований вывод,
что особенности макроскопического поведения капли во вращающемся магнитном поле могут быть обусловлены как процессами деформации капель, так и
внутренними вращениями содержащихся в них агрегатов.
3.Обнаруженные и изученные особенности поведения капли магнитной жидкости с хорошо развитой системой намагниченных агрегатов в переменном магнитном поле – переход ее при определенных условиях во вращательное движение
вследствие синхронизации внутренних вращений агрегатов.
4. Экспериментально обнаруженный эффект компенсации сил отталкивания
параллельных струй магнитных жидкостей, вызванных электрическим полем, при
дополнительном воздействии магнитного поля, направленного перпендикулярно
электрическому и его теоретическое обоснование.
5. Методика расчета плотности поляризационного заряда на поверхности
струи, помещенной в электрическое поле, основанная на использовании выше
указанного компенсационного эффекта при дополнительном действии магнитного
поля. Вывод, сделанный на основе анализа результатов расчета по предложенной
методике, о том, что накопление заряда на поверхности струй большинства исследованных магнитных жидкостей связано не с процессами их поляризации, а с перераспределением свободного заряда.
6. Методика исследования электрофореза в магнитных коллоидах, позволяющая использовать наличие сильных магнитных свойств у коллоидных частиц, а
также вывод, сделанный на основе полученных при ее использовании экспериментальных результатов, что основными носителями свободного заряда в исследованных жидкостях являются примесные ионы.
8
Личный вклад автора. Автором лично проведены все экспериментальные
исследования, обработка результатов измерений и представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами теоретического исследования. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Публикации и апробация работы.
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 11-ти
печатных работах, из них 6 статей в научных журналах, входящих в перечень
ВАК, один патент. Результаты работы доложены и обсуждены на 15-ой Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям. (Плёс, 2012), 3-ей и 4-ой Всероссийской научной конференции «Физикохимические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011, 2013), 55-ой, 56-ой научно-методических конференциях преподавателей и студентов СГУ «Университетская наука – региону» (Ставрополь, 2010,
2012).
Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 183 наименования, изложена на 139 страницах текста, содержит 37 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведён обзор теоретических и экспериментальных работ,
посвящённых физике магнитных жидкостей. Проведён анализ работ, в которых
рассматриваются особенности поведения капель и струй магнитной жидкости при
воздействии на них однородных магнитных полей. Обращено внимание на недостаток информации о характере поведения капель и струй магнитной жидкости в
нестационарных магнитных и электрическом полях, влиянии на его особенности
микроструктуры и электрофизических свойств магнитных жидкостей и целесообразность исследования этого вопроса.
9
Во второй главе описан объект
исследований, методы и экспериментальные установки, разработанные автором для исследования особенностей взаимодействия капель
магнитных жидкостей с вращающимся и переменным магнитными
полями. Также приведено описание
экспериментальных
установок,
Рисунок 1. Зависимость величины горизоньального смещения капли от напряжённости поля при движении кап-
обеспечивающих проведение иссле-
ли в воде (кривая 1) и в воде с добавлением ПАВ (кривая
дований взаимодействия параллель-
2) при частоте вращения поля 10 с-1.
ных струй магнитной жидкости в
магнитном и электрическом полях и
особенностей электрокинетических
процессов в магнитных жидкостях.
Кроме того, дано описание методов
определения магнитных и электрических параметров используемых
магнитных жидкостей.
В третьей главе исследуются
особенности движения капли одно-
Рисунок 2. Зависимость величины горизоньального смещения капли от частоты вращения поля при движении
капли в воде (кривая 1) и в воде с добавлением ПАВ (кривая 2) в полях величиной 5 кА/м.
родной (не содержащей агрегатов) магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле. Экспериментально обнаружено отклонение траектории падающей во
вращающемся магнитном поле капли от вертикального направления. Установлено, что оно происходит в магнитных полях напряжённостью больше некоторого
критического значения, при котором сферическая форма капли трансформируется
в эллипсоидальную (рис.1). На основании анализа полученных результатов, сделан вывод, что причиной отклонения траектории падающей капли во вращающемся магнитном поле является эффект Магнуса, связанный с увлечением в движение среды, окружающей вращающуюся каплю. Получено выражение для от-
10
клонения движения вращающейся деформированной капли от вертикали за время
t:
t
x   v x dt 
0
1  0 
Fм

 t   0 exp  t  0   1
6 0 R экв 1  2 0 3
(1)
где  0 и  – коэффициенты динамической вязкости внешней среды и магнитной
жидкости соответственно, Rэкв – эквивалентный радиус капли, Fm – сила Магнуса,
величина которой пропорциональна частоте вращения капли, а также зависит от
ее эксцентриситета. Расчет Fm осуществляется численно. Величина  0 определяется выражением:
0 
1  0 
m

,
6 0 Rэкв 1  2 0 3
(2)
где m – масса капли.
Согласно (1) величина отклонения должна являться линейной функцией частоты вращения поля. Однако, экспериментальные исследования показали, что
она претерпевает максимум при некоторой частоте (рис. 2). Сделан вывод, что
природа обнаруженного экстремума обусловлена проявлением вязких свойств как
самой капли, так и окружающей среды, приводящим к отставанию направления
большой оси капли от направления вектора напряжённости вращающегося поля.
В результате происходит уменьшение составляющей напряжённости магнитного
поля вдоль большой оси капли, что приводит к убыли её эксцентриситета.
На основе анализа приведенных результатов сделан вывод, что вращение
капли не может быть объяснено с позиций общепринятой модели “внутренних
вращений”, а связано трансформацией её формы из сферической в эллипсоидальную в результате воздействия поля. В такой ситуации эллипсоид приходит во
вращение при изменении направления напряженности поля вследствие вращения
последнего. Очевидно, что движение магнитной жидкости, обусловленное вращениями коллоидных частиц либо отсутствует, либо его интенсивность настолько
мала, что не приводит к существенному изменению скорости окружающей каплю
жидкости. С целью подтверждения сделанного вывода были предприняты описанные выше исследования движения капли при изменении межфазного натяже-
11
ния на ее границе путем добавления поверхностно активного вещества в воду.
На рисунке 1 представлены зависимости величины отклонения капли от
напряжённости поля при движении капли в воде (кривая 1) и в воде с добавлением
ПАВ (кривая 2). Как видно из рисунка, добавление ПАВ во внешнюю среду приводит к тому, что минимальные отклонения капли от вертикали наблюдаются при
существенно меньших значениях напряженности внешнего магнитного поля. Это
объясняются тем, что при добавлении ПАВ коэффициент межфазного натяжения
на границе капля-среда уменьшается, что приводит к большей деформации капли
при одной и той же напряженности поля. На рисунке 2 приведены зависимости
величины отклонения капли от частоты вращения поля при движении капли в воде (кривая 1) и в воде с добавлением ПАВ (кривая 2) в полях величиной 5 кА/m.
Из рисунка видно, что по мере уменьшения сил межфазного натяжения максимум
частотной зависимости величины горизонтального отклонения капли смещается в
область низких частот.
В четвертой главе рассмотрено взаимодействие капель магнитной жидкости, содержащей хорошо развитую систему намагниченных агрегатов с вращающимся и переменным магнитными полями. Для получения капель использовалась
магнитная жидкость на основе керосина, содержащая намагниченные агрегаты,
образование которых инициировалось разбавлением 2%-ным раствором олеиновой кислоты в керосине исходного образца магнитной жидкости с магнетитовыми
частицами со средним размером частиц около 13 нм. С целью изучения влияния
на макроскопические явления внутренних вращений коллоидных частиц и их агрегатов было проведено исследование особенностей движения сферических капель магнитных жидкостей, содержащих достаточно крупные однодоменные частицы (диаметром около 13 nm) и систему намагниченных агрегатов из них во
вращающемся магнитном поле. При этом, исследования проводились при напряженности магнитного поля не приводящих к видимой деформации капель и в более широком частотном диапазоне. Оказалось, что такие капли также претерпевают отклонение во вращающемся магнитном поле, однако оно начинает наблюдаться при напряженности поля около 300 А/м, в отличие от капель однородных
12
магнитных жидкостей, где указанное отклонение происходит при более высоких
напряженностях поля (около 1,5 кА/м), соответствующих началу деформации капель. Сделано заключение, что отклонение капли структурированной МЖ обусловлено возникновением вращения капли за счет микро вращений намагниченных агрегатов, в отличие от капель однородной магнитной жидкости, которые
начинают вращаться только вследствие их деформации. Подтверждением этого
могут служить результаты исследования зависимости отклонения вращающейся
капли от частоты вращения поля, которая является монотонно возрастающей в
области всех исследованных частот вращения поля (до 70 с 1 ).
В дальнейшем, было исследовано поведение капель дискообразной формы,
расположенных на поверхности воды при воздействии однородного переменного
магнитного поля. Для сравнения проводились также исследования капель, полученных из однородной (неагрегированной) магнитной жидкости на той же основе,
обладающей такой же намагниченностью в исследованном диапазоне полей (H =
0.3 – 0.7 кА/м).
Было обнаружено, что при воздействии переменного поля на плоскую каплю
однородной МЖ, не содержащей намагниченных агрегатов, происходит периодическое изменение ее формы от круглой к эллиптической, синхронно с периодическим изменением абсолютного значения напряженности поля. При увеличении
частоты до 1.5 – 2 Гц наблюдается уменьшение амплитуды колебаний формы
капли, которые при достижении частоты поля 5 Hz полностью прекращались, и
капля покоилась, сохраняя эллиптическую форму, характеризующуюся некоторым значением эксцентриситета.
Напротив, форма капли со спонтанно намагниченными агрегатами в тех же
полях изменялась незначительно, но при этом наблюдались вращательные колебания капли относительно направления магнитного поля, амплитуда которых возрастала с ростом частоты поля. Вблизи некоторой критической частоты (для исследованных капель около 1 Гц), капля начинала вращаться, при этом скорость
вращения первоначально увеличивалась пропорционально росту частоты поля.
При достижении некоторого значения частоты поля (~2.4 Гц) частота вращения
13
капли начинала уменьшаться, а при частотах выше 2.8 Гц происходил переход от
вращения к слабо выраженному колебательному движению, которое прекращалось при дальнейшем повышении частоты.
Было предположено, что возникновение процесса вращения капли обусловлено внутренними вращениями содержащихся в МЖ агрегатов, обладающих собственными магнитными моментами. Действительно, диполи, обладающие инертными свойствами могут вовлекаться в переменном поле во вращательное движение, при этом направление вращения для разных диполей может быть случайным.
Наблюдения в оптический микроскоп показали, что воздействие на тонкий слой
используемого образца переменного магнитного поля, направленного вдоль плоскости слоя, приводит к колебательному и вращательному движению содержащихся в нем намагниченных агрегатов. При этом, часть агрегатов могут вращаться по
часовой стрелке, другая часть - против нее. По-видимому, по мере приближения
частоты поля к критической наблюдается эффект синхронизации колебательновращательного процесса, в результате чего большинство агрегатов, содержащихся
в капле приходит в состояние стабильного вращения в одну и ту же сторону, что и
приводит к вращению таких капель как единого целого в переменном магнитном
поле. Предполагая, что в диапазоне частот, близких к критической, все диполи в
установившемся режиме вращаются с частотой внешнего поля, нетрудно получить угловую скорость вращения капли:
k 
N
B ,
N   k
(3)
где  B частота вращения поля  k – частота вращения капли,  и  k – коэффициенты вязкого трения намагниченного агрегата и капли соответственно, N - число
агрегатов в капле.
Анализ экспериментально полученных результатов, представленных на рисунке 3, показал, что в диапазоне частот внешнего поля 1.0 – 2.5 Гц наблюдается
линейная зависимость частоты вращения капли от частоты поля, при этом частота
капли ниже частоты внешнего поля, что показывает качественное соответствие с
зависимостью (5), полученной аналитически. Обнаруженный эффект указывает на
14
необходимость учета особенностей взаимодействия с внешними
переменными полями магнитных
жидкостей, в которых возможно
образование намагниченных агрегатов при их использовании в
реальных устройствах и установ-
Рисунок 3. Зависимости частоты вращения капли с намагни-
ках.
ченными агрегатами от частоты внешнего магнитного поля.
В пятой главе приведены результаты исследования взаимодействия струй
магнитных жидкостей с магнитным и электрическими полями, на основе которых
установлен механизм формирования поверхностного заряда на межфазных границах. Здесь же рассмотрены особенности электрокинетических явлений в изучаемых средах, подтвердившие указанный механизм.
Оказалось, что при воздействии на струи, распространяющиеся в воздухе
перпендикулярно направленного магнитного поля, при достаточно больших значениях его напряженности возникает изгибная неустойчивость, синусоидального
вида. Напротив, при таком воздействии магнитного поля на струю, распространяющуюся в воде, подобного эффекта не обнаружено. Однако, в этом случае в достаточно больших полях возможен распад струи на деформированные вдоль
направления поля капли. При этом траектория падения капель искажается таким
образом, что если первая капля отклоняется от вертикали вправо,
то вторая – влево и т. д. (рис. 4). Таким образом, путем воздействия магнитным поля на струю магнитной жидкости возможно
инициировать ее эмульгирование.
В дальнейшем было изучено поведение двух параллельных
струй магнитной жидкости при воздействии на них однородного
магнитного поля, ориентированного перпендикулярно струям.
При этом, экспериментальные исследования проводились в докритической области напряженностей полей, соответствующей отсутствию развитой неустойчивости струйного течения. Установлено,
Рисунок 4.
15
что в этом случае происходит взаимное притяжение струй, что является результатом процесса намагничивания жидкости в соответствующем направлении. Также
установлено, что воздействие на те же струи электрического поля, ориентированного перпендикулярно их осям и плоскости распространения струй, приводит к их
взаимному отталкиванию. Такое поведение струй обусловлено тем обстоятельством, что под воздействием электрического поля на поверхности каждой струи
формируются заряды. Их образование может быть обусловлено как за счёт процесса поляризации жидкой основы, так и за счёт перераспределения в объёме
струи примесных ионов. При этом струи испытывают взаимное электростатическое отталкивание. При одновременном воздействии на струи взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей проявляются оба эффекта, и при
определённом соотношении величин напряжённости электрического и магнитного полей наблюдается полная компенсация одного эффекта другим. При этом обе
струи вновь располагаются параллельно друг другу. На основании проведенных
расчетов были получены выражения для сил магнитного Fm и электрического Fe
взаимодействия струй:
Fm 
 0 M 2R 4 l
x3
, Fe 
P 2R 4 l
 0 x3
Условие компенсации электрической силы магнитной означает равенство их
модулей, откуда следует:
P  M  0 0 .
(4)
Выражение (4) позволяет определить поверхностную плотность заряда струи:
 0  M  0 0 .
(5)
На рисунке 5 представлены экспериментальные зависимости величины поверхностной плотности заряда от напряжённости внешнего электрического поля.
Как следует из рисунка, с ростом напряженности электрического поля величина
поверхностной плотности заряда возрастает прямо пропорционально для всех исследованных образцов. При этом максимальной плотностью поверхностного заряда в одном и том же электрическом поле обладают струи магнитной жидкости
на основе глицерина, минимальной – на основе вакуумного масла. По результатам
16
измерения поверхностной плотности
заряда возможен расчет диэлектрических
проницаемостей
исследуемых
магнитных жидкостей. Действительно,
в предположении отсутствия в исследуемом образце магнитной жидкости индуцированных зарядов, для величины
диэлектрической
проницаемости
не-
Рисунок 5. Зависимость поверхностной плотности
заряда от напряжённости внешнего электрического
поля.
трудно получить:

2 0 E   0
2 0 E   0
(6)
Следует, заметить, что расчет диэлектрической проницаемости по приведенной формуле теряет всякий смысл в том случае, когда в формировании поверхностного заряда определяющую роль играют не процессы поляризации, а перераспределение свободного заряда, присутствующего в образцах.
Для проверки возможности приобретения струей электрического момента за
счет перераспределения в электрическом поле свободного заряда были проведены
исследования взаимодействия струй магнитной жидкости при дополнительном
воздействии ультрафиолетового излучения, которое должно приводить к потере
свободного заряда. Оказалось, что такое уменьшение поверхностной плотности
заряда действительно наблюдается, причем оно наиболее выражено для магнитных жидкостей на основе глицерина и керосина, имеющих более высокую электрическую проводимость, чем магнитная жидкость на основе вакуумного масла.
Для магнитной жидкости на основе вакуумного масла воздействие ультрафиолетового излучения не привело к существенному изменению рассчитанной поверхностной плотности заряда, что может указывать на несущественную роль процессов перераспределения свободного заряда, вследствие его малости.
Таким образом, выше изложенные результаты исследования взаимодействия
струй магнитных жидкостей с электрическим и магнитным полями указывают на
возможность накопления на поверхности струй как поляризационного, так и сво-
17
бодного заряда. Для выяснения вопроса о природе носителей свободного заряда в
исследуемых системах, были дополнительно проведены исследования особенностей происходящих в них электрокинетических процессов. Для этого были использованы методики исследования электрофореза и потенциала седиментации в
магнитных жидкостях, позволяющую использовать наличие сильных магнитных
свойств у частиц дисперсной фазы. Установка для исследования электрофореза
представляла собой цилиндрическую стеклянную трубку с двумя дисковыми
электродами у ее концов. Снаружи, вблизи электродов расположены две катушки
индуктивности, с помощью которых оценивалось накопление дисперсных частиц
у электродов. Седиментация исследовалась с помощью установки, представляющей собой вертикально расположенную стеклянную трубку, заполненную магнитной жидкостью и помещенную в неоднородное магнитное поле. На концах
трубки расположены дисковые электроды, предназначенные для определения
магнитоседиментационного потенциала.
Найденное выражение, связывающее относительное изменение индуктивности катушки, измерявшегося в экспериментах при исследовании электрофореза с
изменением концентрации дисперсных частиц позволило определить электрофоретическую скорость частиц, что в свою очередь дало возможность оценить значение электрокинетического потенциала, при использовании уравнения Гельмгольца–Смолуховского, связывающего эти величины. Поскольку для исследуемой
магнитной жидкости на основе керосина выполняется условие d  1 , где  – величина обратная дебаевскому радиусу экранирования, то уравнение для электрокинетического потенциала запишется в виде:
 
3υ
,
2 0 E
(8)
где  – диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды;  0 – электрическая постоянная; E – напряженность электрического поля.
Проведенные расчеты показали, что при уменьшении концентрации частиц
электрокинетический потенциал увеличивается. Если пренебречь возможной десорбцией потенциалобразующих ионов с поверхности частиц дисперсной фазы
18
при разбавлении дисперсионной средой, то в пределе бесконечно малой концентрации можно считать электрокинетический потенциал примерно равным потенциалу поверхности частицы. В этом случае зависимость электрокинетического
потенциала от объемной концентрации c можно линеаризовать, перейдя к координатам ln   c . Путем аппроксимации экспериментальных данных линейной зависимостью и экстраполяцией ее до пересечения с осью ln  , было найдено значение потенциала поверхности коллоидных частиц магнитной жидкости 0  0.12
мВ. Полученное значение потенциала поверхности частицы позволило определить ее заряд, величина которого оказалась равной q  1.4  1022 Кл. Сравнение
данного результата с величиной элементарного заряда показывает, что в исследуемой магнитной жидкости лишь примерно одна из тысячи частиц может обладать
электрическим зарядом. К аналогичному заключению привели также результаты
проведенного исследования седиментационного потенциала.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Установлены особенности движения капли устойчивой к агрегированию
магнитной жидкости в водной среде при дополнительном воздействии вращающегося магнитного поля, вызванные вращательным движением деформированной
магнитным полем капли:
– отклонение направления движения капли магнитной жидкости, падающей в
однородном вращающемся магнитном поле от вертикали, происходящее при
превышении некоторого критического значения напряженности, при котором
сферическая форма капли начинает трансформироваться в эллипсоидальную
и его зависимость от частоты вращения поля, имеющая максимум при некоторой частоте;
– зависимость указанного отклонения от межфазного натяжения на границе
«капля – среда», связанная со снижением напряженности поля, при которой
начинается деформация капли.
2. Проведен анализ установленных особенностей движения капли магнитной
жидкости во вращающемся магнитном поле, на основании которого сделан вывод,
что отклонение движения капли от вертикали связано с возникновением вокруг
19
нее циркуляционных потоков внешней среды, приводящих к эффекту образования
поперечной силы (эффекту Магнуса). Проведено теоретическое обоснование исследованного эффекта, сделан вывод, что вращение капли не может быть объяснено с позиций общепринятой модели “внутренних вращений”, а связано с трансформацией её формы из сферической в эллипсоидальную в результате воздействия поля.
3. Проведено аналогичное исследование особенностей движения капли магнитной жидкости с хорошо развитой системой намагниченных агрегатов во вращающемся магнитном поле. Показано, что в этом случае отклонение движения
капли от вертикали, происходящее при отсутствии видимой деформации капель,
обусловлено процессами возникновения внутренних вращений агрегатов.
4. Установлены особенности поведения плоской капли магнитной жидкости,
содержащей хорошо развитую систему намагниченных агрегатов, в переменном
магнитном поле – при некоторой частоте и амплитуде напряженности переменного поля капля приходит во вращательное движение, угловая скорость которого
нелинейно зависит от частоты поля. Сделан вывод о возможности синхронизации
вращений отдельных агрегатов частиц, содержащихся в капле. Установлены связанные с внутренними вращениями агрегатов особенности макроскопического
движения капель такой жидкости в неоднородном магнитном поле.
5. Изучены особенности взаимодействия струй магнитной жидкости во взаимно перпендикулярных магнитном и электрическом полях. Установлено, что,
при определенном соотношении напряженностей магнитного и электрического
полей возможна компенсация электростатического отталкивания струй за счет их
магнитного притяжения. Проведено теоретическое обоснование наблюдаемого
эффекта, в результате которого получено условие компенсации.
6. Предложен метод расчёта плотности формирующегося на поверхности
струй заряда. Определена величина поверхностной плотности поляризационного
заряда, образующегося в однородном электрическом поле на поверхности струй
магнитных жидкостей, приготовленных на основе глицерина, вакуумного масла и
керосина. Показана возможность определения составляющих поверхностного за-
20
ряда, обусловленных процессом поляризации и процессом перераспределения в
объёме образца примесных ионов при дополнительном воздействии на струи ультрафиолетового излучения. На основании полученных результатов сделан вывод
об определяющей роли в формировании поверхностного заряда для большинства
исследованных магнитных жидкостей примесных ионов.
7.Разработана оригинальная методика исследования электрофореза в магнитных коллоидах, позволяющая использовать наличие сильных магнитных свойств
у коллоидных частиц. На основе результатов проведенных исследований электрофореза и магнитоседиментации в магнитных жидкостях, показавших, что лишь
небольшая часть дисперсных частиц имеют заряд (отрицательный), сделан вывод
о незначительной роли коллоидных частиц в процессе переноса заряда в исследованных средах.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России:
1. Dikanskii, Yu.I. Magnetic sequencing in magnetic fluid with quasihard aggregates /
Yu.I. Dikanskii, K.A. Balabanov, O.V. Borisenko. V.V. Kiselev // Magnetohydrodynamics. – 1997. – Vol. 33. – №2. – P. 202-204.
2. Закинян, А.Р. Электрокинетические явления в магнитной жидкости на основе
керосина / А.Р. Закинян, Ж.Г. Вегера, О.В. Борисенко // Журнал технической физики. – 2012. – Т. 82. – Вып. 3. – С. 30-36.
3. Диканский, Ю.И. Особенности движения капли ферромагнитной жидкости во
вращающемся магнитном поле /
Ю.И. Диканский, О.В. Борисенко, М.А.
Беджанян // Журнал технической физики. – 2013. – Т. 83. Вып. – 4. С. 10-15.
4. Диканский, Ю.И. Неустойчивость струи магнитной жидкости в перпендикулярном магнитном поле / Ю.И. Диканский, О.В. Борисенко, А.Р. Закинян // Фундаментальные исследования. – 2013. – №1. – С. 375-378.
5. Диканский, Ю.И. Определение поверхностной плотности поляризационного
заряда струи магнитной жидкости в однородном электрическом поле / Ю.И. Диканский, О.В. Борисенко, М.А. Беджанян // Журнал технической физики. – 2014.
– Т.84. – Вып. 3. – С. 31-35.
21
6. Диканский, Ю.И. Особенности взаимодействия капель магнитной жидкости,
содержащих намагниченные агрегаты, с переменным магнитным полем / Ю.И.
Диканский, О.В. Борисенко, М.А. Беджанян, М.И. Коробов // Письма в журнал
технической физики. – 2015. – Т. 41. – Вып. 9. – С. 24–30.
В других журналах и изданиях:
7. Борисенко, О.В. Особенности движения капли магнитной жидкости во вращающемся и «бегущем» магнитных полях / О.В. Борисенко, М.А. Беджанян // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: сб.
науч. тр. III Всероссийской научной конференции. – Ставрополь, 2011. – С.92-97.
8. Закинян, А.Р. Электрофорез коллоидных частиц магнитной жидкости на основе керосина / А.Р. Закинян, Ж.Г. Вегера, О.В. Борисенко // Физико-химические и
прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: сб. науч. тр III Всероссийской научной конференции. – Ставрополь, 2011. – С.98-102.
9. Борисенко, О.В. Определение поверхностной плотности поляризационного заряда струи магнитной жидкости в однородном электрическом поле / О.В. Борисенко, М.А. Беджанян, В.П. Шацкий // 15-я Международная плеская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям: сб. науч. тр. – Плёс, 2012. –
С. 12-14.
10. Диканский, Ю.И. Падение капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле / Ю.И. Диканский, О.В. Борисенко, М.А. Беджанян // Современная
наука и инновации. – 2013. – № 1. – С. 7-11.
11. Диканский, Ю.И. Особенности движения капли магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле / Ю.И. Диканский, О.В. Борисенко, М.А. Беджанян //
Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем:
сб. науч. тр. 4 - ой Всероссийской научной конференции. – Ставрополь, 2013. – С.
46-52.
Патенты
Пат. №2464660 Российская Федерация, МПК H01F 1/28 G01N 27/84.
Способ приготовления магниточувствительного аэрозоля для осуществления
магнитографической дефектоскопии / Ю.И. Диканский, М.А. Беджанян, О.В.
22
Борисенко; заявители Ю.И. Диканский, М.А. Беджанян, О.В. Борисенко. –
№2011130138/07 ; заявл. 19.07.2011; опубл. 20.10.2012. Бюл. №29. – 6 с.: ил.
Подписано в печать «__»_______201_ г. Формат 6084 1/16. Печать офсетная.
Печ.л. 1 . Тираж ___ экз. Заказ ___.
Северо-Кавказский федеральный университет.
355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
610 Кб
Теги
магнитные, электрический, взаимодействия, струй, магнитнойжидкости, эффекты, капель, полями
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа