Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Колебательные системы с магнитожидкостным инерционно-вязким элементом 12
1.1. Синтез и основные физические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей 12
1.2. Устройство и упругие свойства магнитожидкостной мембраны 15
1.3. Колебательная система типа столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью 18
1.4. Зарубежные исследования за последние 10 лет, близкие по тематике 27
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Описание комплексной экспериментальной установки и методики измерений 36
2.1. Описание первого, второго и третьего экспериментальных модулей 36
2.2. Методика образования и укрупнения до «больших» размеров изолированной воздушной полости 42
2.3. Методика транспорта изолированной воздушной полости 47
2.4. Оценка погрешности измерения частоты и коэффициента затухания колебаний 48
2.5. Методика определения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов 50
2.6. Выводы 51
ГЛАВА 3. Результаты экспериментального исследования 53
3.1. Физические свойства объекта экспериментального исследования 53
3.2. Транспорт воздушной полости в магнитной жидкости 55
3.3. Экспериментальные данные, характеризующие упругие и диссипативные свойства полученных колебательных систем 57
3.3.1. Опыты по исследованию колебательных параметров системы столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью 57
3.3.2. Опыты по исследованию колебательных параметров системы Магнитожидкостная перемычка над создаваемой ею воздушной полостью 62
3.4. Выводы 71
ГЛАВА 4. Анализ результатов эксперимента и выводы 73
4.1. Теоретическое моделирование эволюции поверхности магнитной жидкости 73
4.2. Управляемый магнитным полем транспорт воздушной полости в магнитной жидкости 77
4.3. Анализ упруго-диссипативной характеристики колебательной системы столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью 78
4.3.1. Анализ результатов измерений на образце МЖ-6 79
4.3.2. Анализ результатов измерений на образцах МЖ-2, МЖ-3, МЖ-4, МЖ-5
85
4.4. Анализ процесса укрупнения воздушной полости в магнитной жидкости на основе результатов акустических измерений 91
4.5. Выводы 93
Заключение 96
Благодарности 98
Список используемых источников 99
- Устройство и упругие свойства магнитожидкостной мембраны
- Методика образования и укрупнения до «больших» размеров изолированной воздушной полости
- Экспериментальные данные, характеризующие упругие и диссипативные свойства полученных колебательных систем
- Анализ упруго-диссипативной характеристики колебательной системы столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью
Введение к работе
Актуальность работы. Магнитные жидкости (МЖ) представляют
собой высокодисперсные стабилизированные коллоидные растворы
магнитных наночастиц в немагнитных жидкостях. Их создание относится к
числу наиболее значимых достижений нанотехнологий. Благодаря
уникальному сочетанию “взаимоисключающих” физических свойств
(намагничивание и текучесть) МЖ нашли применение в различных областях
науки и техники: сепарация немагнитных дорогостоящих материалов,
очистка водной поверхности от загрязнения нефтепродуктами,
магнитожидкостные герметизаторы, наполнители зазоров магнитных головок громкоговорителей, управляемые акустические контакты и др.
В большинстве устройств магнитная жидкость служит наполнителем
межполюсных зазоров или оболочек, размещенных в межполюсной области
и частично заполненных воздухом. Удерживаемая неоднородным магнитным
полем капля магнитной жидкости, подпружиненная изолированной газовой
полостью, способна совершать колебания. Проявление резонансных свойств
возникающих колебательных систем при определенных условиях может
существенно повлиять на технические характеристики устройств.
Особенностью таких систем является зависимость упругих и диссипативных свойств от протекания специфических для инерционного элемента – МЖ процессов: испарения жидкости-носителя, растекания по поверхности твердой оболочки, магнитодиффузии, агрегирования магнитных наночастиц, межфазного теплообмена.
Уникальными и все еще не до конца изученными являются
реологические свойства МЖ. Экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными Mc Taque J.P., Hall W. F., Бибиком Е.Е, Майоровым М.М., Варламовым Ю.Д., Каплуном А.Б., Суязовым В.М., Шлиомисом М.И., Пшеничниковым А.Ф., Мартыновым С.И., Ивановым А.О., Диканским Ю.И. показано, что магнитные коллоиды характеризуются дополнительной структурной вязкостью, обусловленной процессами
агрегирования феррочастиц, анизотропией вязкости в магнитном поле, связанной с внутренним вращением и преимущественной ориентацией вытянутых агломератов ферромагнитных частиц. Однако, остается открытым вопрос о границах применимости концепции ньютоновской жидкости при разработках теоретических моделей течения концентрированного магнитного коллоида для ситуаций, близких к условиям эксплуатации устройств с магнитожидкостными активными элементами, в частности, при наличии вибраций и динамического взаимодействия жидкой и парогазовой фаз.
Исследования колебательных систем с магнитожидкостным упруго-вязким элементом в определенной степени отражены в работах Cary B.B., Fenlon F.H., Баштового В.Г., Кракова М.С., Родионова А.А., Соколова В.В., Баева А.Р., Чеканова В.В., Лебедева А.В. Подробный обзор этих работ изложен в монографии Полунина В.М. [1].
Сообщение о стабилизации нижней поверхности столбика МЖ в трубке при помощи неоднородного магнитного поля приводится в работе [2] Однако ни в этой, ни в других научных публикациях не было сообщений об изучении упругих свойств колебательной системы магнитная жидкость – герметизируемая ею воздушная полость. Между тем результаты исследования данного процесса могут быть полезны для расширения экспериментальной базы вибро- и магнитореологии МЖ. Известная методика экспериментального исследования структуры МЖ, в которой используется колебательная система с МЖ, заполняющей U-образную трубку, в некоторых случаях не может быть предпочтительной - например, при проведении большой серии измерений. В процессе получения данных значительное время занимает чистка трубки и последующее ее заполнение новым образцом. В этом отношении представляет интерес методика измерений, основанная на использовании колебательной системы с воздушной полостью в МЖ, удерживаемой силами магнитной левитации. Предложенная методика характеризуется простотой реализации и возобновления измерений с образцами МЖ различной вязкости. Постепенность пристеночного
перетекания жидкости в процессе захвата и перемещения воздушной полости вверх или вниз по трубке в различном скоростном режиме движения магнита открывает возможность проведения магнитореологического тестирования образцов МЖ.
В прикладном отношении процесс герметизации воздушной полости МЖ в неоднородном магнитном поле помимо хорошо известного применения в магнитожидкостных герметизаторах и уплотнителях представляет собой новый элемент мехатроники, имеющий перспективу применения в автоматике и робототехнике. Данное явление может найти применение в устройствах взятия проб газа и их хранения для последующего анализа. При использовании высокоградиентного магнитного поля можно проводить интенсивное перемешивание дисперсной системы.
Изучение новых возможностей управляемого образования и перемещения воздушных полостей в МЖ и физической природы упруго-диссипативных свойств получаемых колебательных систем представляет интерес для различных отраслей физической науки: физики конденсированного состояния, магнитной гидродинамики, механики жидкости и газа, акустики нанодисперсных систем.
Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.
Целью настоящей работы является исследование упругих свойств магнитной жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и транспортируемой в ней магнитным полем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
- разработать методику исследования, создать комплексную компьютеризированную экспериментальную установку, предназначенную для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, а также для изучения параметров колебательной системы магнитная жидкость - герметизируемая
воздушная полость.
изучить возможность использования транспортируемой под действием неоднородного магнитного поля в магнитной жидкости воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны;
используя уникальную возможность управления упругими параметрами колебательной системы за счет транспорта воздушной полости вдоль столбика МЖ и укрупнения полости при помощи самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны, произвести измерения упруго-диссипативных параметров с вариацией коэффициента упругости и вязкости жидкости-носителя;
произвести сравнение упругих параметров исследуемой колебательной системы (частота колебаний, коэффициент упругости), полученных экспериментально и на основе модельной теории;
провести визуальное наблюдение эволюции формы поверхности магнитной жидкости на начальном этапе образования магнитожидкостной перемычки при движении кольцевого магнита вдоль оси трубки вверх к свободной поверхности;
разработать теоретическую модель начального этапа образования магнитожидкостной перемычки при движении кольцевого магнита вдоль оси трубки вверх к свободной поверхности жидкости;
изучить возможность использования воздушной полости в магнитной жидкости, перемещаемой магнитным полем, в качестве подвижного акустического рефлектора;
провести анализ результатов измерений коэффициента затухания колебаний исследуемых колебательных систем и сделать вывод о вкладе механизма диссипации энергии, описываемого формулой Гельмгольца
Объектом исследования являются образцы нанодисперсной магнетитовой МЖ, приготовленные на основе различных жидкостей (керосин, синтетическое углеводородное масло, ПЭС-2, минеральное углеводородное масло, ПЭС-4). Предмет исследования - упругие свойства
магнитной жидкости с образуемой и транспортируемой в ней при помощи магнитного поля воздушной полостью.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
-
Разработана методика и создана экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, изучения упругих и диссипативных свойств полученной колебательной системы - магнитная жидкость с герметизируемой ею воздушной полостью;
-
На основе принципа действия ультразвукового интерферометра доказана возможность транспорта воздушной полости в магнитной жидкости, управляемого магнитным полем, и использования этого явления в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации;
3. Путем визуальных наблюдений и теоретического моделирования, а
также на основе измерений упругих параметров колебательной системы
перемычка – воздушная полость доказана возможность герметизации и
укрупнения до «больших» объемов воздушной полости за счет создания
самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны при перемещении
источника магнитного поля вверх к свободной поверхности магнитной
жидкости;
4. Получен массив экспериментальных данных, характеризующих
упругие свойства создаваемых колебательных систем; проведено
сопоставление вкладов в коэффициенты упругости и затухания наиболее
вероятных механизмов их формирования; установлено условие ограничения
применимости формулы Гельмгольца по отношению высоты столбика МЖ к
диаметру трубки, связанное с краевыми эффектами.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика и экспериментальная установка, предназначенная для образования, укрупнения и транспорта в магнитной жидкости магнитным полем воздушной полости, изучения упругих и диссипативных свойств
колебательной системы - магнитная жидкость с герметизируемой ею воздушной полостью;
2. Процесс создания, герметизации и укрупнения до «больших»
объемов воздушной полости за счет управляемого магнитным полем
перемещения самовосстанавливающейся магнитожидкостной мембраны
вверх от свободной поверхности магнитной жидкости. Для описания данного
явления использованы результаты визуальных наблюдений и теоретического
моделирования начальной стадии образования магнитожидкостной
перемычки, а также результаты измерений упругих параметров
колебательной системы перемычка – воздушная полость;
-
Использование транспортируемой магнитным полем в магнитной жидкости воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации.
-
Вывод об ограничении применимости формулы Гельмгольца для оценки вклада в коэффициент затухания колебаний вязкой жидкости в трубке, обусловленном краевыми эффектами. Условием пригодности модели помимо известного требования по соотношению длины вязкой волны и диаметра трубки является требование о превышении высоты столбика жидкости над диаметром трубки более чем в 7 раз.
Достоверность результатов обеспечивается использованием
апробированных экспериментальных методик и расчтами погрешности
измерений; использованием поверенной измерительной техники;
сопоставлением полученных результатов с работами, выполненными другими авторами, выводы которых идентичны при аналогичных условиях; совпадением данных нескольких независимых экспериментов, проведнных на одних и тех же образцах.
Научная и практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные экспериментальные и теоретические результаты позволяют установить условие применимости ранее используемой модели Гельмгольца. Они будут полезны при разработке и проектировании новых и модернизации
существующих устройств, использующих магнитожидкостную
герметизацию, в числе которых, устройства для взятия проб газа, их
хранения и последующего анализа, счетчики и дозаторы газа,
используемые в химико-технологическом производстве, фармацевтике, и приборы для демонстрации уникальных свойств магнитных жидкостей в учебном процессе.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В
соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика
конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и
экспериментальное исследование упругих свойств нанодисперсной магнитной
жидкости с воздушной полостью, создаваемой, укрупняемой и
транспортируемой в ней магнитным полем.
Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности: п. 2.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на III Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем (Ставрополь, 2011), «Российской конференции по магнитной гидродинамике» (Пермь, 2012), «15 Международной Плесской научной конференции по магнитным жидкостям» (Плес, 2012), научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Таганрог, 2012), III Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012), «XVIII Зимней школе по механике сплошных сред» (Пермь, 2013), Международной молодежной научной конференции «Будущее науки-2013» (Курск, 2013).
Публикации: Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 12 работах, из них 5 в рецензируемых журналах и изданиях.
Личный вклад автора: по теме диссертационной работы подробно за период с 2000 г. по настоящее время изучена научная, научно-техническая литература и периодические издания в РФ и за рубежом; разработаны
методики и экспериментальные установки для исследования физических
механизмов образования, роста и перемещения воздушной полости в
магнитной жидкости неоднородным магнитным полем, а также исследований
упругих свойств полученных систем; выполнен весь объм
экспериментальных и теоретических исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 109 страницах и содержит 34 рисунков, 13 таблиц и 96 наименований цитируемой литературы.
Устройство и упругие свойства магнитожидкостной мембраны
Жидкие ферромагнетики – магнитные жидкости (МЖ), представляют собой коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных веществ в обычных жидкостях [3, 4, 5]. При получении МЖ решается одна из важнейших задач коллоидной химии – получение наночастиц твердого материала и диспергирование его в жидкости-носителе [6, 4]. При столь малых размерах частицы становятся однодоменными [3, 7]. Магнитный момент наночастиц m =VMso, где V – объем частицы. Намагниченность насыщения Mso зависит от размера частиц и падает при его уменьшении; при типичных для магнитных коллоидов размеров частиц Mso составляет 50% от соответствующей величины многодоменного материала. Уменьшение Mso связывается с дефицитом соседей по обменному взаимодействию в поверхностном слое [3, 8, 6].
Между частицами магнитных коллоидов действуют силы диполь-дипольного взаимодействия, обусловленные наличием у частиц постоянного магнитного момента. При сближении частиц они приводят к слипанию их, агрегированию дисперсной фазы, в результате чего коллоидный раствор утрачивает устойчивость. Условие существования МЖ как устойчивого коллоидного раствора сводится к тому, чтобы энергия магнитостатического взаимодействия магнитных диполей U составляла малую долю от тепловой энергии частиц k0T.
Агрегативная устойчивость коллоидов достигается путем создания на поверхности частиц защитных оболочек, препятствующих слипанию частиц в агрегаты.
Наиболее оптимальной как в плане снижения затрат, так и в плане существенного повышения производительности оказалась технология получения МЖ на основе химической конденсации [4]. Химическая конденсация заключается в осаждении частиц магнетита из водного раствора солей двух и трехвалентного железа избытком концентрированного раствора щелочи:
При помощи метода пептизации полученный осадок коллоидных частиц переводится в жидкость-носитель, при этом на поверхности частиц образуется мономолекулярный слой молекул ПАВ. Наиболее часто для стабилизации МЖ на основе нанодисперсного магнетита используется олеиновая кислота [4, 9]. Олеиновая кислота С8Н17СН=СН(СН2)7СО— ОН своим полярным концом ОН притягивается к поверхности тврдой фазы, образуя на ней плотный мономолекулярный слой толщиной д2 нм.
При наличии агрегативной устойчивости системы частицы дисперсной фазы благодаря малым размерам удерживаются тепловым броуновским движением в объеме жидкости-носителя.
МЖ - практически непрозрачные жидкости. Опыты на просвечивание возможны либо в случае малой толщины слоя ( 10 мкм), либо в случае малой концентрации (10–2) при толщине слоя 1 мм.
В электрических или магнитных полях МЖ становятся подобными одноосным кристаллам. Они проявляют анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптических свойств: двулучепреломление, дихроизм, анизотропию рассеяния. Эти эффекты связаны с выстраиванием магнитных наночастиц в плотные цепочки, направленные вдоль поля.
Кривая зависимости намагничивания от напряженности магнитного поля М(Н) МЖ имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков. Численное значение начальной магнитной восприимчивости/концентрированной МЖ при комнатной темп-ре достигает 10, что в тысячи раз превышают восприимчивость обычных жидкостей. Нагрев МЖ выше точки Кюри Тс приводит к уменьшению е магнитной восприимчивости, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. В МЖ хорошо распространяются звуковые волны [1, 5, 10-39]. Присутствие тврдых наночастиц обусловливает изменение плотности и сжимаемости дисперсной системы, а также появление специфического для микронеоднородной среды процесса внутреннего теплообмена. Наложение магнитного поля на агрегативно устойчивые коллоиды приводит к незначительным изменениям скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука. Так, приращение скорости не превышает 1–2 м/с.
МЖ присуще сочетание таких свойств, как текучесть, сжимаемость жидкой среды и значительная намагниченность суперпарамагнитного типа [1]. Уникальное сочетание физических свойств МЖ предопределяет широкую область их применения. Именно это обстоятельство обуславливает потребность в исследованиях эффектов воздействия на МЖ неоднородного магнитного поля, в том числе - управления магнитогидродинамическими потоками для захвата, хранения и дробления газовых полостей.
В неоднородном магнитном поле на частицы МЖ действуют пондеромоторные силы. Действие пондеромоторных сил используется во многих устройствах: в магнитожидкостных герметизаторах, удерживающих перепад давлений в несколько атмосфер; в установках по очистке водных поверхностей от нефтепродуктов; в магнитных головках громкоговорителей с магнитожидкостным наполнением, улучшающим их амплитудно-частотную характеристику, и др.
Следствием действия пондеромоторных сил является эффект левитации, который заключается в том, что на немагнитные тела, помещнные в МЖ, находящуюся в магнитное поле с градиентом вдоль направления силы тяжести, действует дополнительная выталкивающая сила, многократно превышающая вес вытесненной жидкости. На этом явлении основан принцип действия сепараторов немагнитных материалов, например, цветных металлов.
Методика образования и укрупнения до «больших» размеров изолированной воздушной полости
Блок-схема модуля 1, предназначенного для выявления возможности использования транспортируемой воздушной полости в качестве подвижного рефлектора звуковой волны представлена на рисунке 2.1. частотомер 2, вольтметр 3 и пьезопластинку 4, прижатую к крышечке акустической ячейки 5, конструкция которой будет описана ниже. Проходя через столбик МЖ 6, расположенный под воздушной полостью 7, звуковая волна отражается от ее нижней поверхности. В результате упругих колебаний нижней поверхности воздушной полости на катушке индуктивности 8, вмонтированной в постоянный кольцевой магнит 9, возникает переменная ЭДС. Переменная ЭДС после усиления селективным усилителем 10 поступает параллельно на осциллограф 11 и аналого цифровой преобразователь 12, соединенный с компьютером 13. Магнит с катушкой индуктивности, закрепленный на кинематическом узле катетометра 14, плавно перемещается вдоль оси трубки с МЖ и одновременно силами магнитной левитации перемещает воздушную полость 7. Перемещение магнита фиксируется с точностью 0.01 мм, при этом сигнал с катушки индуктивности снимается через каждые 0.5 мм. Магнит используется для всех модулей установки. Используемый селективный усилитель (микровольтметр селективный В6-9) предназначен для измерения среднеквадратичных значений малых синусоидальных напряжений. Пределы допускаемой основной погрешности прибора во всех рабочих областях частот в широкополосном режиме не превышают 6%.
Блок-схема модуля 2, предназначенного для измерения колебательных параметров колебательной системы, инерционным элементом которой служит столбик магнитной жидкости, расположенный над газовой полостью, приведена на рисунке 2.2.
Чтобы избежать повторений с описанием рисунка 2, в описании блок-схемы данной установки перечислим лишь отдельные элементы, используемые в решении поставленной задачи. Поршень 15, закрывающий верхний конец трубки, используется для возбуждения колебаний столбика МЖ. В поршне имеется сквозное отверстие, которое дает возможность вставить поршень без изменения давления в трубке. Перед выдергиванием поршня отверстие перекрывается пальцем руки. Сигнал, принимаемый катушкой индуктивности 8, поступает на широкополосный усилитель 10, а затем - на аналого-цифровой преобразователь 12 и компьютер 13. На АЦП поступает также сигнал от пьезоэлемента 4. Прием и начальная обработка сигналов, поступающих с пьезоэлектрического и индукционного датчика, осуществляется программой, разработанной в среде NI LabView. 7 6 rfT ш 12 Т Рис. 2.2. Блок-схема модуля 2 Частота заполнения получаемых с катушки индуктивности и пьезоэлемента радиоимпульсов измеряется путем определения времени 10-15 полных колебаний с последующим расчетом периода колебаний и его обратной величины. Используемый кольцевой магнит имеет следующие габариты: внутренний диаметр – 25 мм, внешний диаметр – 50 мм, толщина – 5 мм. Осевая составляющая напряженности магнитного поля в центре магнита – 91 кА/м. Введение звука в МЖ осуществляется снизу, через тонкое плоскопараллельное дно акустической ячейки, схематически представленной на рис. 2.3. Магнитная жидкость 1 заполняет стеклянную трубку 2. Поджимное кольцо 4, крышка 5, корпус 6 изготовлены из немагнитного материала – дюралюминия, скрепляющие винты 3 – из латуни. Генератор звуковых колебаний 7 вырабатывает переменное электрическое напряжение заданной частоты, которое через поджимающую пружину 10 поступает на пьезоэлектрическую пластинку 9. Герметизация заполняемой полости осуществляется при помощи резинового кольца 8, частично утопленного в кольцевую канавку. Нижний конец поджимающей пружины упирается в днище фторопластового стакана 11.
Используемая в экспериментальной установке акустическая ячейка обеспечивает подведение переменной ЭДС к пьезоэлектрической пластинке и ее механическую защиту. Конструкция акустической ячейки позволяет фиксировать нижний конец трубки, при помощи резинового уплотнения осуществлять герметизацию заполняемой полости. Для лучшего прохождения звуковой волны в жидкость зазор между донышком и пьезопластинкой заполняется тонким слоем контактной смазки.
Схема модуля 3, предназначенного для создания герметизированной воздушной полости «большого» объема и изучения упруго-диссипативных свойств получаемой колебательной системы, показана на рис. 2.4. Стеклянная трубка с донышком 1, наполненная МЖ 2, жестко закреплена на металлической конструкции 3 при помощи фиксирующего фланца 4, выполненного из немагнитного металла. Соосно трубке расположен кольцевой магнит 5, закрепленный на узле 6. В исходном положении кольцевой магнит расположен ниже уровня донышка трубки. Узел 6 перемещается по валу 7 при помощи винтовой передачи от двигателя 8. Вращению узла 6 препятствует фиксирующее устройство 9, закрепленное на 8. В магнит 5 вмонтирована катушка индуктивности 10, сигнал с которой передается с помощью АЦП 11 в ПК 12 для дальнейшей обработки. Двигатель 8 позволяет задавать направление движения узла 6 и регулировать скорость его движения до максимального значения 0,84 мм/с. Магнитожидкостная перемычка 13 расположена в плоскости симметрии кольцевого магнита 5. Внутри трубки между перемычкой и свободной поверхностью МЖ расположена изолированная МЖ-перемычкой воздушная полость (без указания номера) высотой h0. При медленном подъме кольцевого магнита при помощи подъмного устройства в изолированной воздушной полости создатся перепад давления. При достижении значения критического перепада давления Рk происходит разрыв магнитожидкостной перемычки. Процесс возникающих колебаний перемычки (магнитожидкостной мембраны) фиксируется при помощи катушки индуктивности 10. Частота свободных затухающих колебаний столбика МЖ и магнитожидкостной мембраны (МЖМ) находится как величина обратная периоду, полученному по времени n полных колебаний непосредственно с осциллограммы на экране монитора. Внутренний диаметр используемых трубок – 13,5 мм. Измерения выполнены при температуре 31±0.2С.
Экспериментальные данные, характеризующие упругие и диссипативные свойства полученных колебательных систем
Можно видеть чередующиеся пики напряжения с изменением расстояния на приблизительно одинаковое значение. Картина сходная с той, которая может быть получена обычным интерферометрическим методом при недостаточной юстировке жесткого рефлектора. При отсутствии параллельности между рефлектором и излучателем в картине «пиков» появляются так называемые сателлиты, которые ошибочно могут быть восприняты как «истинные» максимумы, что, безусловно, приведет к грубой ошибке.
Экспериментальные данные, характеризующие упругие и диссипативные свойства полученных колебательных систем
Получен массив экспериментальных данных, характеризующих упругие свойства создаваемых колебательных систем.
Если столбик МЖ, находящийся под воздушной полостью, удерживаемой силами магнитной левитации, представляет собой звуковой волновод, то столбик МЖ в трубке, расположенный над воздушной полостью, служит инерционным элементом колебательной системы. Роль упругости в данной колебательной системе выполняет суммарная упругость воздушной полости с коэффициентом упругости kg и пондеромоторная упругость, обусловленная взаимодействием магнитного поля с МЖ в нижней части жидкостного столбика, с коэффициентом упругости kp.
Кривые амплитудно-временной зависимости, получаемые с катушки индуктивности и с пьезоэлемента идентичны между собой. Зависимость переменной ЭДС, представленной в относительных единицах, от времени, показана на рисунке 3.3. В данном случае сигнал берется с пьезодатчика; высота столбика МЖ h=10.5 см. Там же приведена огибающая данной зависимости, представляющая собой аппроксимацию экспоненциальной линией тренда, построенную с помощью средств MS Excel.
Приведем результаты эксперимента, выполненного на образцах МЖ-2, МЖ-3 и МЖ-4. Для проведения эксперимента в трубку с диаметром 1,35 см заливается МЖ до высоты 12,5 см, при этом высота левитирующей воздушной полости составляет 1см. ОБРАЗЕЦ МЖ- 0,03 и, в
Как видно из рисунка 3.7 колебательная система, полученная с использованием образца МЖ-5, характеризуется большим коэффициентом затухания ( 100 с-1). По существу данная система является ангармонической.
Опыты по исследованию колебательных параметров системы “Магнитожидкостная перемычка над создаваемой ею воздушной полостью” Рассмотрим экспериментальные данные по исследованию колебательных параметров колебательной системы, упругим элементом которой служит воздушная полость «большого» объема, полученная при помощи магнитожидкостной мембраны, перемещающаяся кольцевым магнитом в направлении от донышка трубки к свободной поверхности магнитной жидкости.
Путем визуальных наблюдений установлено, что при медленном (квазистатическом) подъеме магнита и приближения его к свободной поверхности МЖ наблюдается эволюция формы поверхности. Вначале свободная поверхность имеет плоскую горизонтальную форму. С приближением магнита к свободной поверхности МЖ, она приобретает вогнутую (коническую) форму, после чего пристеночный магнитогидродинамический поток перекрывает сечение трубки в области плоскости симметрии магнита и герметизирует первоначальный объем газа. Образуется магнитожидкостная перемычка (МЖ-перемычка), которая при последующем перемещении магнита вверх и возникающем перепаде давления в газовой полости многократно разрывается и восстанавливается, каждый раз пропуская малую порцию газа в изолируемый ею объем. Таким образом, магнитожидкостная перемычка, перемещаясь вверх по трубке, захватывает практически любую по объему порцию газа.
Процесс захвата первоначальной (минимальной) воздушной полости и ее последующее расширение осуществляется за счет перетока жидкой капли по стенкам трубки. Течение жидкости приостанавливается при прекращении движения магнита, следовательно эффект перемещения наблюдается только в набегающем магнитном поле.
Вместе с тем, как известно, магнитожидкостная перемычка в совокупности с изолируемой газовой полостью образует колебательную систему, называемую магнитожидкостной мембраной (МЖМ). Упругие свойства МЖМ, динамика разрыва-восстановления ее достаточно хорошо изучена [1, 85]. Были изучены также вопросы практического значения МЖМ [86, 87]. На рисунках 3.8, 3.9, 3.10 представлены осциллограммы колебательного процесса при следующих условиях эксперимента: образец МЖ-1; высота столбика МЖ в трубке 30 мм; высота h0=180 мм, высота had=180 мм; скорость перемещения кольцевого магнита 0,84 мм/с; 3.8 -трубка сверху открыта; 3.9 – трубка герметично закрыта резиновой пробкой; 3.10 – трубка герметично закрыта стеклянной пробкой.
Анализ упруго-диссипативной характеристики колебательной системы столбик МЖ над левитирующей воздушной полостью
На основе принципа действия ультразвукового интерферометра доказана возможность транспорта воздушной полости в магнитной жидкости, управляемого магнитным полем, и использования этого явления в качестве подвижного рефлектора звуковой волны при демонстрации эффекта магнитной левитации.
На рисунке 3.2 показана зависимость индуцируемой в катушке индуктивности ЭДС, выраженной в относительных единицах, от положения кольцевого магнита. Можно видеть чередующиеся пики напряжения с изменением расстояния на приблизительно одинаковое значение. Картина сходная с той, которая может быть получена обычным интерферометрическим методом при недостаточной юстировке жесткого рефлектора. Неодинаковость пиков свидетельствует о нестабильности нижней границы воздушной полости при ее перемещении.
Если в результате перемещения рефлектора на расстояние L наблюдалось N всплесков, то это значит, что на указанном отрезке разместилось N - 1 полуволн стоячей волны, и что =2L/(N - 1). Искомая скорость волны определяется соотношением
Относительная ошибка измерения скорости звука определяется суммой погрешностей измерения L и и, как правило, при условии термостатирования, не превосходит 0,05%. Однако, при отсутствии параллельности между рефлектором и излучателем в картине «пиков» появляются так называемые сателлиты (рис. 3.2), которые ошибочно могут быть восприняты как «истинные» максимумы, что, безусловно, приведет к грубой ошибке.
Интерферометрический метод измерения скорости звука является абсолютным. В данном опыте частота звуковых колебаний =18.5 кГц, среднее расстояние между максимумами (длина стоячей волны) составляет 2.310-2 м, что приводит к значению скорости звука с850 м/с. Существенно заниженное значение с по сравнению со скоростью в неограниченной жидкости (по данным [10, 76] для МЖ с близкими физическими параметрами с=1150 м/с) объясняется податливостью стенок трубки. Применение рефлектора с неплоской и легко деформируемой поверхностью увеличивает погрешность измерений c по сравнению с магнитожидкостным интерферометром, использующим нормальную к волновому вектору поверхность МЖ [10, 76].
Вместе с тем такого рода рефлектор мог бы быть чувствительным датчиком механических вибраций, толчков, ускорений, использоваться в качестве подвижного «магнитожидкостного рефлектора» звуковой волны для демонстрации эффекта магнитной левитации при чтении лекций по физике наноматериалов.
Если столбик МЖ, находящийся под воздушной полостью, удерживаемой силами магнитной левитации, представляет собой звуковой волновод, то столбик МЖ в трубке, расположенный над воздушной полостью, служит инерционным элементом колебательной системы. Роль упругости в данной колебательной системе выполняет суммарная упругость воздушной полости с коэффициентом упругости kg и пондеромоторная упругость, обусловленная взаимодействием магнитного поля с МЖ в нижней части жидкостного столбика, с коэффициентом упругости Ц,
Кривые амплитудно-временной зависимости, получаемые с катушки индуктивности и с пьезоэлемента идентичны между собой. Зависимость переменной ЭДС, представленной в относительных единицах, от времени, показана на рисунке 3.3. В данном случае сигнал берется с пьезодатчика; высота столбика МЖ h=10.5 см. Там же приведена огибающая данной зависимости, представляющая собой аппроксимацию экспоненциальной линией тренда, построенная с помощью средств MS Excel.
Упругость колебательной системы формируется тремя механизмами: тепловым движением молекул газа в изолированной полости (газовая упругость); взаимодействием намагниченной магнитной жидкостью с неоднородным магнитным полем (пондеромоторный механизм); механизмом, связанным с наличием границы раздела в двухфазной среде (упругость поверхностного натяжения).
Поэтому коэффициент упругости системы к определяется суммой: где kg, kp и к - соответственно газовой упругости, пондеромоторной упругости и упругости поверхностного натяжения. Выражение kg для адиабатного процесса имеет вид [43]: где Pg - плотность газа (в данном случае - воздуха); са - скорость звука в воздухе; S - площадь поперечного сечения трубки; Vg - объем изолированной газовой полости.
