Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Описание физических механизмов возбуждения упругих волн в магнитной жидкости
1.1 Получение магнитной жидкости и ее структура 9
1.2. Физическая природа устойчивости МЖ - гетерогенной конденсированной среды. Образование агрегатов 11
1.3 Акустические свойства плоского магнитожидкостного источника звуковых колебаний 16
1.4 Возможность осуществления и акустические свойства цилиндрического магнитожидкостного источника звуковых колебаний 17
1.5 Экспериментальные исследования магнитоакустического эффекта
1.5.1 Экспериментальная установка для исследования резонансного возбуждения упругих колебаний в МЖ в мегагерцевом диапазоне частот 24
1.5.2 Результаты экспериментального исследования МАЭ 26
1.5.3 Зависимость относительной амплитуды возбуждаемых упругих колебаний от параметров магнитного поля и температуры 28
1.6 Обсуждение моделей магнитоакустического эффекта 35
1.7 Выбор и обоснование направления исследований 48
ГЛАВА 2. Методика эксперимента и описание экспериментальной установки
2.1. Разработка методики возбуждения и индикации низкочастотной моды колебаний 49
2.2. Методика возбуждения упругих колебаний в магнитной жидкости переменным магнитным полем в килогерцевом диапазоне частот .. 52
2.3.Методика измерений параметров вспомогательного назначения. Погрешность измерений 59
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных иследований
3.1. Физические параметры объекта исследования 63
3.2 Зависимость упругих свойств от геометрических параметров системы 70
3.3 Полевая и амплитудная зависимости МАЭ на МЖ в килогерцевом диапазоне частот 75
ГЛАВА 4. Анализ результатов на основе предложенных моделей
4.1.1 Упругие свойства воздушно - магнитожидкостного резонатора 78
4.1.2. Определение коэффициента пондеромоторной упругости на основе метода присоединенной полости 83
4.2. Нелинейные свойства колебательной системы 86
4.3 Механизм возникновения звуковых колебаний в воздушном резонаторе 91
4.4. Вращательный механизм МАЭ в мегагерцевом диапазоне частот .95
Заключение 97
Список литературы 100
Приложения 110
- Физическая природа устойчивости МЖ - гетерогенной конденсированной среды. Образование агрегатов
- Зависимость относительной амплитуды возбуждаемых упругих колебаний от параметров магнитного поля и температуры
- Методика возбуждения упругих колебаний в магнитной жидкости переменным магнитным полем в килогерцевом диапазоне частот
- Полевая и амплитудная зависимости МАЭ на МЖ в килогерцевом диапазоне частот
Введение к работе
Актуальность проблемы. Магнитные жидкости (МЖ) - это материал, обладающий сочетанием на первый взгляд несовместимых свойств — текучестью и гигантской (по сравнению с "обычными" жидкостями) намагниченностью. Его получение следует отнести к наиболее значительным достижениям современных нанотехнологий. Благодаря уникальным физическим свойствам МЖ нашли применение в различных областях науки и техники: акустомаг-нитные индикаторы мод упругих колебаний, магнитожидкостные герметизаторы (МЖГ), демпферы, наполнители зазоров магнитных головок громкоговорителей, управляемые акустомагнитные контакты, магнитожидкостные сепараторы, пневмо-акустические модуляторы магнитного потока и другие.
Наряду с разработкой новых применений магнитных жидкостей ведутся теоретические и экспериментальные исследования их физических и физико-химических характеристик, которые, в свою очередь, определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием с внешними электромагнитными полями.
Воздействие электромагнитного поля на МЖ может привести к возникновению в ней различного рода колебаний, особое место среди них занимают упругие звуковые и ультразвуковые колебания, научный и практический интерес к которым не вызывает сомнений.
Исследованию магнитоакустического эффекта (МАЭ) на МЖ (преобразование энергии электромагнитного поля в энергию упругих колебаний) посвящены работы: Сагу В.В., Fenlon F.H., Баштового В.Г., Полунина В.М., Кракова М.С, Родионова А. А. К числу работ, имеющих прямое отношение к проблеме, принадлежат исследования колебаний формы взвешенной капли МЖ, выполненные Дроздовой В.И., Скибиным Ю.Н. и Чекановым В.В. Однако работ экспериментального характера, направленных на исследование физической природы магнитоакустического эффекта на МЖ в широком диапазоне частот, крайне мало. Эти исследования тем более важны, что в диапа-
5 зоне частот шириною в шесть декад (2 - 2-Ю6 Гц) благодаря особенностям структуры МЖ (наличие в жидкости - носителе однодоменных магнитных частиц, которым свойственны пондеромоторное взаимодействие с внешним магнитным полем, магнитострикция, магнитодиффузия и диполь -дипольное взаимодействие, хаотическое тепловое движение, перемагничивание) происходит смена доминирующего физического механизма МАЭ.
Исследование физической природы МАЭ на магнитном коллоиде представляет интерес для нескольких отраслей физической науки: физики конденсированного состояния, магнитной гидродинамики, механики жидкости.
В прикладном отношении МЖ в рамках рассматриваемой проблемы выступает в качестве материала, при помощи которого осуществляется превращение энергии электромагнитного поля в энергию упругих колебаний. При этом преобразующие устройства могут обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционными твердотельными магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями. Эти преимущества заключаются в следующем: рабочее тело преобразователя по сравнению с твердотельным имеет меньшую плотность и скорость звука, что позволяет более чем на порядок уменьшить массу излучателя при одинаковой резонансной частоте; поверхность МЖ способна приобретать любую геометрию, задаваемую формой контейнера; возможна плавная перестройка резонансной частоты и диаграммы направленности.
Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.
Целью работы является проведение экспериментального исследования физической природы МАЭ на магнитной жидкости в диапазоне низких звуковых и ультразвуковых частот.
Задачи исследования: - разработать методику и создать экспериментальную установку для исследований МАЭ в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до десятков кГц; провести измерения частоты колебаний магнитожидкостной перемычки, возбуждаемых при ее разрыве; изучить эволюцию осциллограммы колебаний перемычки при изменении частоты сопряженного воздушного резонатора; получить выражение для оценки коэффициента пондеромоторной упругости колебательной системы с магнитожидкостным инертным элементом и сопоставить его с полученными опытными данными на основе «метода присоединенной полости»; произвести измерения полевой зависимости амплитуды колебаний, генерируемых в килогерцевом диапазоне частот в МЖ, помещенной в соосные постоянное и переменное магнитные поля; сравнить полученную кривую с кривой намагничивания суперпарамагнетика; -экспериментально исследовать зависимость амплитуды возбуждаемых колебаний в цилиндрическом столбике МЖ от амплитуды переменной ЭДС, подаваемой на индуктор.
Научная новизна работы заключается в следующем: впервые проведены комплексные исследования частотной, полевой и амплитудной зависимости МАЭ на магнитном коллоиде в диапазоне частот 20 Гц - 50 кГц; получено выражение для коэффициента пондеромоторной упругости колебательной системы с магнитожидкостной перемычкой в качестве инертного элемента, которое удовлетворительно согласуется с результатами измерений, проведенных на основе метода «присоединенной полости»; дана интерпретация физической природы МАЭ на магнитной жидкости в исследованном диапазоне частот; установлены особенности физических механизмов возбуждения упругих колебаний МЖ - перемычки и звуковых колебаний в сопряженном звуковом резонаторе в момент разрыва - захлопывания перемычки; - на основе качественного анализа данных по релаксации структурной перестройки молекул оболочки стабилизатора показано существование «вращательного» механизма МАЭ в мегагерцевом диапазоне частот.
Автор выносит на защиту:
Методику и экспериментальную установку, разработанные для проведения комплексных экспериментальных исследований частотной, полевой и амплитудной зависимостей МАЭ на магнитном коллоиде в диапазоне частот 20 Гц - 50 кГц;
Результаты экспериментального и теоретического исследования упругих свойств МЖ - перемычки;
3.Полученное выражение для приближенной оценки коэффициента пон-деромоторного типа колебательной системы с магнитожидкостной перемычкой и метод «присоединенной полости», позволяющий произвести экспериментальную проверку выводов теории;
Полученные экспериментальные данные по изучению МАЭ в кило-герцевом диапазоне частот, свидетельствующие о преобладающей роли пон-деромоторного механизма;
Предложенные физические механизмы возбуждения упругих колебаний МЖ - перемычки и звуковых колебаний в сопряженном звуковом резонаторе в момент разрыва - захлопывания перемычки;
Гипотезу о существовании «вращательного» механизма МАЭ в мегагерцевом диапазоне частот, связанного с конечностью времени релаксации структурной перестройки молекул оболочки стабилизатора.
Достоверность экспериментальных исследований подтверждается: проведением опытов с использованием надежной экспериментальной методики, использованием поверенной измерительной техники; получением большого массива экспериментальных данных; совпадением данных нескольких независимых между собой экспериментов, проведенных на одних и тех же образ-
8 цах; удовлетворительным согласием между выводами модельной теории и результатами полученными экспериментально.
Научная и практическая ценность диссертации заключается в том, что проведенные комплексные исследования частотной, полевой и амплитудной зависимостей МАЭ на магнитном коллоиде в диапазоне 20 Гц - 50 кГц подтверждают доминирующую роль пондеромоторного механизма. Полученные экспериментальные и теоретические результаты могут быть полезны при проектировании новых и модернизации известных устройств, использующих магнитные жидкости, например, при проектировании и эксплуатации магнитожидкостных герметизаторов, магнитожидкостньтх дозаторов газа.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись: на 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-ой и 11-ой Международных Плесских конференциях по магнитным жидкостям (Иваново, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2002 г.,2004 г.); на 3-ей и 5-ой Всероссийских научно-технических конференциях (г. Нижний Новгород, 1998 г., 2000 г.); на 7-ой Всероссийской научно-технических конференциях "Материалы и упрочняющие технологии" (Курск, 1999 г.),
Публикации: основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 14 работах.
Личный вклад автора: разработана методика и создана экспериментальная установка для проведения комплексных экспериментальных исследований частотной, полевой и амплитудной зависимостей МАЭ на магнитном коллоиде в диапазоне частот 20 Гц - 50 кГц; выполнен весь объем экспериментальных исследований; сформулированы положения, выносимые на защиту.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы и приложения.
Физическая природа устойчивости МЖ - гетерогенной конденсированной среды. Образование агрегатов
Различают два вида устойчивости коллоидных систем: седиментацион-ную, связанную с оседанием твёрдых частиц в силовых полях (силе тяжести, центробежной силы) без слипания и агрегативную устойчивость к объединению частиц между собой, со временем приводящему к уменьшению числа частиц в единичном объёме [13]. Для обеспечения агрегативной устойчивости необходимо, чтобы сближение частиц вызывало появление сил отталкивания между ними, что возможно при наличии на поверхности частиц защитного адсорбционного слоя, образованного молекулами ПАВ. Для исключения седиментации применяют два метода- измельчение суспензии магнетика до коллоидных размеров частиц и конденсацию атомарных или молекулярных частиц.
Агрегативная устойчивость коллоидных систем определяется балансом сил притяжения и отталкивания частиц, который описывается в [13] достаточно сложной теорией. Основное уравнение устойчивости имеет вид: где U - полная энергия взаимодействия, коТ - энергия теплового движения частиц, ко- постоянная Больцмана, Т- температура. Полная энергия включает энергию притяжения частиц за счёт ван-дер-ваальского взаимодействия, энергию магнитного диполь-дипольного взаимодействия во внешнем магнитном поле, энергию отталкивания, обусловленного действием защитных оболочек ПАВ на частицах и расклинивающим действием основы (носителя). Анализ общего энергетического баланса агрегативной устойчивости позволил сделать вывод о том, что образование агрегативно-устойчивых коллоидных растворов магнетиков возможно для частиц диаметром d й Юнм, покрытых слоем ПАВ толщиной 5 » 2нм, при объёмной доле частиц ф 0,2. Седиментационная устойчивость МЖ в поле сил тяжести определяется соотношением: где Ар- разность плотностей частицы и основы (жидкости); V- объём частицы; g- ускорение свободного падения; L- высота (толщина слоя жидкости, в котором доля частиц уменьшается по высоте в е раз по сравнению с их долей на дне сосуда). В случае действия дополнительных сил формулу (1.2) следует модифицировать для учёта зависимости ускорения частицы от соответствующей силы. Результаты расчётов показали, что гравитационная устойчивость МЖ надёжно обеспечивается при L « 10 мм для частиц диаметром d « 102нм. Однако, кроме седиментационной устойчивости МЖ необходимо оценивать и перераспределение частиц в магнитном поле из-за взаимодействия их магнитных моментов с полем, при котором возникает сила fM, направленная в область с большей напряжённостью поля: где Цо- магнитная проницаемость вакуума, m - магнитный момент частицы, VH - градиент напряжённости магнитного поля. Оценка энергии, соответствующей магнитной седиментации для типичных материалов частиц (магнетит) показала, что при Н »102 кА/м и L » 102 мм энергия магнитной седиментации на два порядка превышает энергию гравитационной седиментации. Для жидкости, находящейся в поле дополнительной гравитационной силы с ускорением ng, фактор п должен быть порядка 102, чтобы седиментационная устойчивость была определяющей. В связи с этим устойчивость МЖ надо оценивать по условию U m kT ,где U m = ЦотН - энергия, соответствующая магнитной устойчивости частиц.
Для устойчивой коллоидной системы получено d « 10 нм, т.е. тот же порядок, что и из условия агрегативной устойчивости МЖ.
Резюмируя рассмотренные проблемы устойчивости МЖ, как трёхфазной системы: частица - оболочка - основа (носитель), можно сделать вывод: устойчива МЖ с диаметром частиц d 10 нм, объёмной долей ферро - или фер-римагнетика ф = 10 - 20 % при толщине оболочки ПАВ 5 » 0,2 d.
При наложении внешнего поля МЖ становится неизотропной: в ней происходит ориентация отдельных магнитных моментов и, следовательно, самих частиц, если существует связь между моментом частицы и её кристаллографической осью.
Ориентационный порядок в МЖ проявляется также относительно крупных частиц из-за магнитного дипольного взаимодействия, которое имеет место в концентрированных МЖ. В работе [14] обнаружено, что в магнитном поле вследствие магнитного взаимодействия между частицами Fe, Со и Ni происходит образование цепочек из этих частиц вдоль направления магнитного поля. Переход к суперпарамагнетизму (безгистерезисный вид кривой намагничивания) при уменьшении размеров этих частиц не наблюдался, а коэрцитивная сила и остаточная намагниченность возрастали по сравнению со случаем произвольно ориентированных частиц. Образование агрегатов в виде цепочек из мелких частиц a-Fe203 описано и в работе [15].
Появление в МЖ агрегатов из магнитных частиц, как и увеличение диаметра монодисперсных частиц, качественно влияет на кривую намагничивания. Увеличение намагниченности связано с ростом упорядоченности расположения цепей при повышении напряжённости магнитного поля. С приближением к состоянию магнитного насыщения указанное превышение намагниченности стремится к нулю.
Зависимость относительной амплитуды возбуждаемых упругих колебаний от параметров магнитного поля и температуры
Воздействие электромагнитного поля на магнитную жидкость (МЖ) может привести к возникновению в ней различного рода колебаний: упругих, поверхностных, колебаний формы. Особое место среди них занимают упру 18 гие, звуковые и ультразвуковые колебания, научный и практический интерес к которым не вызывает сомнений.
С теоретической точки зрения поиски решения данной проблемы привлекает прежде всего возможность получения уникальной информации о колебательном движении феррочастиц, находящихся в жидкой матрице, в переменном электромагнитном поле, а также взаимосвязь этого движения с движением дисперсной системы как целого. В прикладном отношении МЖ в рамках рассматриваемой проблемы выступает в качестве материала, при помощи которого осуществляются превращение энергии электромагнитного поля в энергию упругих колебаний. При этом преобразующие устройства обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными твердотельными магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями. Эти преимущества заключаются в следующем: рабочее тело преобразователя по сравнению с твердотельным имеет меньшую плотность и скорость звука, что более чем на порядок уменьшить массу излучателя при одинаковой резонансной частоте; поверхность МЖ способна приобретать любую геометрию, задаваемую формой контейнера; возможна плавная перестройка резонансной частоты и диаграммы направленности.
Первые попытки решения этой задачи основывались на применении грубых ферросуспензий (ФС) [38]. Однако, в связи с быстрым расслаиванием таких систем и очень большим затуханием упругих колебаний в них, такого рода преобразователи не могли найти применение. Перечисленных недостатков лишены преобразователи, активными элементами в которых являются МЖ. Впервые вопросы генерирования акустических колебаний МЖ рассмотрены в работе американских исследователей Сагу В. В. и Fenlon F. Н. [39].
Активный элемент рассматриваемого ими преобразователя имеет форму цилиндрического диска - таблетки. Теоретически анализируется случай бесконечного плоско- параллельного слоя, по нормали к которому направлено внешнее магнитное поле. Путем термодинамических преобразований показано, что на границах слоя возникает перепад давлений, обусловленный скачком напряженности магнитного поля, В области технического насыщения допускается возможность функционирования лишь пондероматорного механизма, с чем связываются надежды на получение источника колебаний, конкурирующего с традиционными магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями в диапазоне 100 - 150 кГц, в котором неэлектропроводные МЖ характеризуются невысокими потерями на вихревые токи и перемагничивание,
В СССР публикации, посвященные электромагнитному возбуждению упругих колебаний в МЖ, появляются начиная с 1974 г. Это теоретические исследования возбуждения звука бегущим магнитным полем в неограниченном объеме жидкости, выполненные Баштовым В.Г. и Краковым М.С. [40, 41]. Первые результаты экспериментального изучения особенностей функционирования магнитожидкостных преобразователей получены Баевым А.Р. и Прохоренко П,П. в 1978 г. на частотах 16- 26.7 кГц [42, 43]. Резонансная генерация упругих волн в МЖ путем наложения магнитного поля в виде бегущей волны или стоячей волны впервые рассмотрена Баштовым В.Г., Бер-ковским Б.М. и Краковым М.С. [41, 44]. Ими показано, что бегущее магнитное поле возбуждает в намагничивающейся жидкости продольные звуковые волны. Возбуждаемый звук имеет частоту, удвоенную по сравнению с частотой магнитного поля. Условием наступления резонанса является совпадение скорости распространения звуковых волн и скорости бегущего поля. Весьма характерным обстоятельством является тот факт, что для возбуждения звука в МЖ нет необходимости в наличии твердой стенки, совершающей колебания. Достаточно лишь придать бегущему магнитному полю надлежащие параметры волнового вектора к и круговой частоты колебаний ш. Если же маг 20 нитное поле носит характер стоячей волны, то в результате можно получить
в жидкости стоячую звуковую волну.
Наибольший интерес в прикладном отношении представляет ситуация, когда МЖ заполняет полость с определенной геометрией - резонатор. В такой ситуации может быть использован простейший источник магнитного поля, основным назначением которого является создание переменной составляющей поля. Резонансное возбуждение колебаний достигается путем подбора частоты изменения вынуждающей силы. Имея это ввиду, была предложена цилиндрическая модель МЖИ [45, 46]. В простейшем случае эта модель может быть реализована погружением прямолинейного проводника, по которому протекает переменный ток, в МЖ. В теоретическом аспекте преимущество данной модели состоит в том, что для ее аналитического рассмотрения не возникает необходимости в использовании какой — либо эмпирической или полуэмпирической формулы, определяющей геометрию и временную зависимость магнитного поля. Рассматриваемое в работах [45, 46] магнитное поле - это поле бесконечного прямолинейного проводника с током, геометрия которого, определяемая законом Био - Савара - Лапласа, хорошо известна.
Методика возбуждения упругих колебаний в магнитной жидкости переменным магнитным полем в килогерцевом диапазоне частот
Здесь показаны зависимости относительной амплитуды возбуждаемых упругих колебаний (За и относительной намагниченности Зм исследованного образца МЖ от напряженности намагничивающего поля Н0. Незаштрихованными кружками отмечены значения относительной амплитуды колебаний в МЖ при 24С, треугольниками - при -110С. Заштрихованными кружками отмечены значения намагниченности МЖ при 24С, выраженные в относительных единицах. Кривая 3, принадлежащая МЖ при -110С - замороженный образец, характеризуется наличием резкого максимума и последующим крутым спадом зависимости Ра(Н0) в области изменения Н0 от 0 до - 100 кА/м. При увеличении Н0 от 100 кА/м до 500 кА/м наблюдается очень незначительное, всего на несколько %, возрастание Ра.Следует отметить, что переход при изменении температуры от зависимости Ра(Н0), соответствующей кривой 1, к зависимости, соответствующей кривой 3, происходит достаточно резко в области температур от -90С до -110С. В области затвердевания МЖ наблюдается также возрастание амплитуды максимального эхо-сигнала более чем на порядок. На рис. ,1.14 показана азимутальная зависимость относительной амплитуды возбуждаемых колебаний, полученная для 4-х образцов МЖ: три жидкости на основе магнетита и керосина, у которых Ms= 52 кА/м, Ms= 37 кА/м /производство ЛТИ/, М= 60 кА/м /производство ИЭИ/ и одна жидкость на основе магнетита вакуумного масла МВП /производство ИЭИ/. Прерывистой кривой показана зависимость cos pi, а сплошной cos ф(. В условиях опыта поперечный к слою жидкости градиент магнитного поля G «10 А/м , амплитуда переменной составляющей магнитного поля Нт « 103 А/м, подмагничи вающее поле Н0 »3 кА/м. К настоящему времени опубликованы работы, в которых на основе полученных результатов экспериментального исследования МАЭ в магнитных коллоидах в мегагерцевом диапазоне частот предложены теоретические модели, учитывающие различные физические механизмы [61-64]. Все предложенные механизмы можно подразделить на две группы, одна из которых учитывает собственную магнитострикцию ФЧ, а другая — диполь-дипольное взаимодействие между магнитными частицами, диспергированными в жидкости-носителе. Характерно, что и те и другие механизмы реализуются в однородном возбуждающем поле.
Впервые было предложено включить в число вероятных механизмов электромагнитного возбуждения упругих колебаний в МЖ магнитострикцию ФЧ [65, 66] и получена предварительная оценка эффективности данного механизма в условиях поставленного эксперимента. Рассматривается линейная магнитострикция диспергированных ФЧ в предположении, что время вращательной диффузии частиц магнетита превосходит период ультразвуковой волны, и что угол 0Q между направлением намагничивающего поля и равновесным направлением «среднего» дипольного момента частиц зависит от функции Ланжевена по формуле 90 =arccosL( ).
Если не считать модели плотной кристаллической упаковки частиц [66], по-видимому, приемлемой лишь в случае предельно концентрированных МЖ, то попытки использования модели линейной магнитострикции для объяснения эффекта электромагнитного возбуждения упругих колебаний в МЖ не касались вопроса о том, каким образом осуществляется этом механизм в реальных МЖ, как линейные колебания малых по сравнению с длиной волны излучателей при условии неизменности их объема приводят к появлению направленной составляющей скорости смещения частиц жидкости. Соображения такого рода стимулируют поиск решения рассматриваемого вопроса на основе модели объемной магнитострикции. Последняя представляется наиболее приемлемой с точки зрения возможности возбуждения упругих колебаний в жидкости, поскольку, очевидно, суперпозиция когерентных колебаний объема отдельных частиц должна привести к колебаниям объема дисперсной системы.
Отсутствие надежных экспериментальных данных об объемной магнитострикции однодоменных ФЧ не позволяет получить расчетным путем численное значение амплитуды колебаний. Поэтому на первом этапе целесообразно произвести сопоставление зависимостей относительных изменений амплитуды колебаний от напряженности намагничивающего поля, полученные экспериментально и теоретически.
Приведенные выше результаты экспериментального определения зависимости Ра(Н0) (рис. 1.13 - кривая 1) свидетельствуют о наличии характерных особенностей, - как более резкий по сравнению с ростом намагниченности начальный рост с полем амплитуды колебаний, ее медленное уменьшение с ростом напряженности поля в области, близкой к насыщению намагниченности. При этом следует отметить, что последняя особенность характерна именно для суспензии в жидком состоянии - для замороженной МЖ (рис. 1.13 — кривая 3) характерно резкое убывание амплитуды колебаний с ростом напряженности в области технического насыщения. Это обстоятельство позволяет предположить, что жидкость-носитель выполняет особую роль в рассматриваемом процессе, по-видимому, благодаря возможности вращения твердых частиц, а с ним и легких осей под влиянием теплового движения.
Для объемной магнитострикции QK, обусловленной изменением направления намагниченности относительно оси магнитной анизотропии одноосной частицы, можно положить [63, 67]
Полевая и амплитудная зависимости МАЭ на МЖ в килогерцевом диапазоне частот
По-видимому, впервые вопрос о физическом механизме электромагнитного возбуждения колебаний магнитожидкостного активного элемента, сохраняющего свой объем неизменным, весьма обстоятельно обсуждается в работе Дроздовой В.И., Скибина Ю.Н. и Чеканова В.В. [78], в которой теоретически и экспериментально исследованы низкочастотные (2-3 Гц) осесим-метричные колебания взвешенной в немагнитной жидкой среде сферической капли МЖ в магнитном поле. Предложенная ими теоретическая модель упругости колебательной системы учитывает капиллярные силы и силы понде-ромоторного воздействия магнитного поля.
Капля МЖ, взвешенная в немагнитной жидкой среде, обладает дополнительными степенями свободы, связанными с деформацией формы намагниченной капли. Временные характеристики изменения формы капли определяют установление равновесной намагниченности после наложения внешнего магнитного поля. В процессе колебаний происходит возмущение внутреннего магнитного поля. Когда капля деформирована (вытянута) сильнее, чем в равновесном положении, вследствие уменьшения размагничивающего фактора внутреннее поле увеличивается, что должно приводить к еще большей деформации. У капли деформированной меньше, чем в равновесном положении внутреннее поле уменьшается вследствие увеличения размагничивающего поля, что должно приводить к дальнейшему уменьшению деформации. Таким образом, в отличие от капиллярных сил, всегда направленных в сторону восстановления сферической формы, пондеромоторные силы магнитного поля действуют в противоположном направлении. В результате этого упругость колебательной системы, определяемая в отсутствие магнитного поля силами поверхностного натяжения жидкости, при включении поля уменьшается, в деформации появляется осевая симметрия, направленная вдоль магнитного поля. Вывод об убывании частоты колебаний капли МЖ по мере увеличения напряженности подмагничивающего поля присутствует и в более поздней работе Братухина и Лебедева [79].
Заметим, что в случае с магнитной перемычкой, пондеромоторные силы магнитного поля увеличивают упругость колебательной системы. При малых вязкостях МЖ, выведенная из положения равновесия намагниченная капля осциллирует с частотой меньшей, чем в отсутствии магнитного поля. При Н—О частоты жидкости и немагнитной жидкой среды соответственно; -—1,2, 3,... совпадают с (2 +1) — кратно вырожденными частотами колебаний капли идеальной жидкости, вычисленной без учета вязкости. При Н Ф 0 частоты собственных колебаний капли магнитной жидкости [78] меньше соответствующих значений со0[н 0. При наложении однородного магнитного поля (2 +1) - кратное вырождение снимается, так как появляется осевая симметрия вдоль магнитного поля. В процессе колебаний изменяется поле внутри капли. При больших вязкостях МЖ капля возвращается в положение равновесия апериодически. Экспериментальные исследования проводились на каплях МЖ, погруженных в водный раствор хлористого кальция, имеющий плотность МЖ. Выведение капель из положения равновесия осуществлялось при помощи однородного магнитного поля, создаваемого системой катушек Гельмгольца. Под действием поля капли принимали эллипсоидальную форму. После выключения внешнего магнитного поля капли совершали затухающие колебания; при частичном отключении поля осесимметричные колебания происходят в установившемся на заданном уровне магнитном поле. Период свободных колебаний капли МЖ радиусом 2,65 мм в однородном магнитном поле Н = 1,12 кА/м составляет 0,24 с, тогда как в отсутствие поля он был 0,215 с. Результаты теоретического расчета периода колебаний на основе предложенной модели удовлетворительно согласуется с опытными данными. Проведенный обзор литературы показал большой практический и научный интерес к исследованию магнитоакустического эффекта в МЖ. Вместе с тем нельзя не отметить отсутствие работ по экспериментальному изучению МАЭ в звуковом и низком ультразвуковом диапазоне частот, позволяющих проводить всестороннюю проверку выводов модельных теорий. Исходя из вышеизложенного, автором в настоящей работе поставлены следующие задачи: - разработать методику и создать экспериментальную установку для исследований МАЭ в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до десятков кГц. - провести измерения частоты колебаний магнитожидкостной перемычки, возбуждаемых при ее разрыве. - произвести измерения полевой зависимости амплитуды колебаний, генерируемых в килогерцевом диапазоне частот в МЖ, помещенной в соосные постоянное и переменное магнитные поля; сравнить полученную кривую с кривой намагничивания супермагнетика. -экспериментально исследовать зависимость амплитуды возбуждаемых колебаний в цилиндрическом столбике МЖ от амплитуды переменной ЭДС, подаваемой на индуктор.
