Приповерхностные и межфазные явления в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях и их техническое применение Кандаурова, Наталья Владимировна

Введение к работе

Актуальность проблемы и направление исследований

В середине 60-х годов были созданы намагничивающиеся жидкие среды на коллоидной основе - магнитные жидкости, которые интересны исследователям и сегодня. Интерес этот обусловлен, во-первых, целым рядом уникальных явлений, наблюдаемых в магнитных жидкостях при воздействии электрического и магнитного полей, а во-вторых, благодаря многообразным предложениям по практическому применению жидкостей, область которого постоянно расширяется.

Работа посвящена исследованию малоизученных явлений в области приповерхностных явлений, образованию объёмного заряда в углеводородных средах и изысканию возможностей для эффективного применения изученных явлений на практике, так как это связано с проблемами очистки, пожаробезопасного хранения, перевозки, построением моделей самоорганизующихся сред в электронике, медицине, биологии.

Нелинейные электроповерхностные явления в углеводородных средах изучены мало по сравнению с теми же явлениями в водных средах. Практическая значимость исследований электроповерхностньгх явлений в неводных средах связана с тем, что их использование в различных технологических процессах более экономично. Но обычно такие явления в неполярных диэлектриках имеют маленькую скорость и трудны для наблюдения. Магнитная жидкость, благодаря наличию уникальных свойств, является удачным объектом для изучения нелинейных электроповерхностных явлений, в том числе величины и времени образования объёмного заряда электрофореза и диполофореза.

Проблемы агрегирования, вызывающие кардинальные изменения физических свойств коллоидной системы изучались многими авторами. Агрегаты, трактуемые как новая фаза, появляются при воздействии магнитного поля. Термодинамика этого процесса изучена достаточно хорошо. Однако, образование агрегатов в электрическом поле, а также при одновременном воздействии электрического и магнитного полей, практически не исследованы.

Актуальным представляется описание и изучение ряда эффектов, связанных с электризацией жидкости. Так, важное место в изучении свойств и течений намагничивающихся сред отведено экспериментам по изучению явлений, связанных с влиянием магнитного поля на устойчивость равновесных форм и течений магнитной жидкости. Подробно изучалась неустойчивость поверхности жидкости под воздействием магнитного поля, когда возникают пики на поверхности. Известен целый ряд работ но изучению поведения поверхности магнитных жидкостей в электрическом поле.

Однако, явления, возникающие при одновременном воздействии электрического и магнитного полей на поверхность недостаточно хорошо изучены. Автором впервые наблюдалась ситуация, когда капля магнитной жидкости, помещенная в электрическое и магнитное поля, совершала автоколебания, а в электрохимической ячейке с магнитной жидкостью наблюдались явления самоорганизации — автоволны.

Практическую значимость имеют устройства, разработанные на основе применения эффектов, обусловленных объёмной электризацией жидкости. Это магнитожидкостный индукционный струйный электронейтрализатор, индикатор теплового излучения, пространственно-временной модулятор света, электрофорезный нуль-индикатор, усилитель малых токов. В данной диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1985-2000 гг. Работа выполнена в соответствии с п.п. 1,3,5.9 «Физика магнитных жидкостей» раздела «Физика твёрдого тела» Координационного плана АН СССР на одиннадцатую пятилетку и п.п. 06.05Н2 плана НИР и ОКР на 1986-1990 годы, утверждённого постановлением № 485 от 14.11.86 Госкомитета СССР по науке и технике.

Цель работы:

исследование образования и распада агрегатов магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях. Построение термодинамической модели образования агрегатов, экспериментальное обоснование предложенной модели.

установление закономерностей объёмной электризации МЖ, оценка величины объёмного заряда и времени его релаксации, индуцированного дипольного момента и заряда частиц дисперсной фазы в электрическом поле.

Исследование автоколебаний и автоволн в магнитной жидкости, построение модели возникновения автоколебаний и автоволн,

разработка прикладных вопросов, связанных с эффектами, обусловленными объёмной электризацией магнитной жидкости, применением магнитной жидкости для отвода электростатических зарядов, применением электрофоретической ячейки с МЖ как индикатора теплового излучения, пространственно-временного модулятора света, нуль-индикатора, усилителя малых токов.

Научная новизна результатов работы:

1. Впервые проведено исследование влияния электрического и магнитного полей на образование агрегатов магнитной жидкости. Построена модель образования агрегатов в электрическом и магнитном полях, причем агрегаты трактуются как гетсрофазные флуктуации. Показано, что воздействие постоянного электрического поля стимулирует образование агрегатов. Впервые оценены электрическая и магнитная добавки к химическим потенциалам соответственно в электрическом и магнитном полях. Построе-

на модель образования цепочечных агрегатов из малого числа частиц в электрическом и магнитном полях. Проведено сравнение численного расчёта с экспериментальными данными, которые подтверждают, что в жидкости действительно существуют анизотропные агрегаты, индуцированный момент которых в слабопроводящей жидкости на несколько порядков превышает соответствующий момент для частицы в диэлектрике.

1. Впервые показано, что приповерхностный слой магнитной жидкости на границе с электродом является активной возбудимой средой, в которой возможны явления самоорганизации - автоволны - с характерными явлениями для таких сред: активными центрами (пейсмекерами), подавлением низкочастотных волн высокочастотными, спиральными волнами - ревербераторами, дифракцией автоволн вблизи препятствия, развитием турбулентности ( стохатизации). Обнаружены неподвижные пространственные структуры в тонком слое магнитной жидкости в электрическом поле, связанные с изменением концентрации.

2. По комплексным электрическим и оптическим измерениям была предложена эквивалентная электрическая схема приповерхностного слоя. Для автоволнового процесса выведено уравнение изменения поверхностной плотности объёмного заряда. Предложен механизм, объясняющий возникновение автоволн дисперсной фазы вблизи прозрачного электрода.

4. Исследованы приповерхностные явления в магнитной жидкости, в результате впервые оценена величина и время образования объёмного заряда, область локализации объёмного заряда в жидкости, оценён заряд частицы дисперсной фазы.

5. По проведенным исследованиям зависимости спектра отражения света от тонкой плёнки от концентрации жидкости в электрохимической ячейке, разности потенциалов на электродах, расстояния между электродами предложен механизм изменения концентрации частиц дисперсной фазы вблизи электрода, проведено численное моделирование в предположении, что приповерхностный слой имеет многослойную структуру.

6. Впервые обнаружены и исследованы автоколебания капли МЖ, помещённой между двумя намагниченными электродами. Записаны нелинейные уравнения колебаний в электрическом и магнитном полях, экспериментально найдены коэффициенты в этих уравнениях. Показано, что с достаточной точностью наблюдаемые автоколебания описываются уравнением Рэлея.

7. Исследована неустойчивость поверхности МЖ в электрическом и магнитном полях с начальной деформацией ультразвуковым полем. Разработан подход к численному решению уравнения гидростатики деформированной поверхности. Показано, что найденный подход позволяет описать гистерезис возникновения я исчезновения структур на поверхности МЖ.

Практическая ценность диссертации

1 .Разработано устройство: пространственно-временной модулятор света, который может быть использован для идентификации различной интенсивности записывающего света и визуализации инфракрасного и ультрафиолетового излучений.

2. Предложено и запатентовано устройство: электрофорезный нуль-индикатор, позволяющее фиксировать нулевой потенциал по одинаковым спектрам отражения электродов. На основе нуль-индикатора предложен усилитель малых токов, позволяющий измерять токи до 10'¹⁴-10'¹⁵ А, имеющий гальваническую развязку.

З.Разработано устройство: индикатор теплового излучения, который позволяет констатировать наличие и интенсивность излучения в некотором диапазоне температур.

4. Разработано и запатентовано устройство: мапштожидкостный индукцион
ный нейтрализатор зарядов, обеспечивающий безопасный отвод зарядов с
объектов посредством переноса заряда струями магнитной жидкости.

5. Показана принципиальная возможность создания устройства, увеличи
вающего коэффициент теплоотдачи на 1-2 порядка.

б.Обоснованы преимущества применения явления неустойчивости микрокапель магниточувствительной МЖ для изучения эффекта проникания в комбинированных и многодорожечных блоках магнитных головок. Исследована возможность определения насыщения магнитной цепи головок и определения полей рассеяния магнитных сигналограмм.

7.В результате подробного исследования динамики изменения спектра отражения видимого света от поверхности: прозрачный электрод-магнитная жидкость, обоснована возможность создания быстродействующего малогабаритного спектрофотометра в видимой области спектра. Введён и обоснован критерий, позволяющий оптимизировать идентификацию и восстановление спектра падающего излучения.

Автор защищает:

} .Экспериментальные результаты исследования образования агрегатов в магнитных жидкостях в электрическом и магнитном полях и теоретическое обоснование представления об агрегатах как о гетерофазных флуктуациях. Определение смещения кривой распределения агрегатов по размерам в зависимости от значения электрического и магнитного полей, фазовое расслоение магнитной жидкости при воздействии этих полей.

2.Экспериментальные результаты исследования изменения концентрации частиц дисперсной фазы вблизи твёрдой поверхности в электрическом и магнитном полях. Построение модели изменения концентрации в результате изменения эффективного магнитного и электрического поля вблизи поверхности.

3.Методику исследования и экспериментальные результаты измерений величины и времён релаксации объёмного заряда в слабо- и высококонцентрированной магнитной жидкости.

4. Обнаруженные и экспериментально исследованные автоволны, связанные с изменением концентрации вблизи проводящего электрода в электрохимической ячейке. Обоснование утверждения, что тонкий приэлектродный слой магнитной жидкости является активной возбудимой средой, построение модели самоорганизующейся среды. Обнаруженные в этой среде характерные для автоволновых процессов явления: пейсмекеры, дифракция, ревербераторы, подавление мод. Построение эквивалентной электрической схемы, уравнение автоволн для наблюдаемого процесса.

5. Экспериментальные исследования и теоретическое обоснование исследования неустойчивости и автоколебаний капли МЖ в электрическом и магнитном полях.

б.Технические приложения исследования: струйный электронейтрализо-тор, индикатор теплового излучения, пространственно-временной модулятор света, электрофорезный нуль-индикатор, усилитель малых токов, возможность применения электрохимической ячейки для моделирования процессов самоорганизации, возможность применения струйного течения для повышения коэффициента теплоотдачи.

Личный вклад соискателя.

Основные результаты и выводы диссертационной работы получены и сформулированы лично автором. Автору принадлежит постановка задач исследования, разработка, конструктивное обоснование и автоматизация экспериментальной установки для изучения колебаний капли МЖ, разработка методики, планирование и организация комплексных исследований электрических и оптических свойств электрохимической ячейки с МЖ.

Автором разработаны и созданы лабораторные макеты магнитожидко-стного струйного электронейтрализатора, пространственно-временного модулятора света, усилителя малых токов, в соавторстве - индикатора теплового излучения, нуль-индикатора.

Автором обнаружены, экспериментально исследованы явления самоорганизации в приповерхностном слое МЖ и на межфазной поверхности, предложен и обоснован механизм этих явлений, построена эквивалентная схема приповерхностного слоя, записаны уравнения автоволн в ячейке с МЖ и автоколебаний капли.

Апробация работы: проводилась на международных и всесоюзных конференциях, основными из которых являются следующие: Всесоюзные конференции по магнитным жидкостям (Плёс, 1985, 1988, 1991), Всесоюзные совещания по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988, Пермь, 1990), Рижские совещания по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1987,1990), 6 Всесоюзное совещание по электрической обработке материа-

лов (Кишинев, 1990), Международная конференция по магнитным жидкостям (Париж, 1992), Всероссийская научно-техническая конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных жидкостей», III Всероссийский симпозиум «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск 1999),7-я , 8-я и 9-я Международные Плёсские конференции по магнитным жидкостям (Плёс, 1996, 1998, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ, основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем диссертации - 308 страниц, работа содержит 83 рисунка и 8 таблиц, в списке цитируемой литературы - 275 наименований.