Введение к работе
Актуальность темы Изучение свойств и течений ншлагничивающих-ся сред посвящено большое чиоло работ, среди которых важное место занимают эксперименты по исследованию явлений, связанных с влияни-ец магнитного поля на устойчивость равновесных форм и течений магнитной дйдаооти. Подробно рассматривалась неустойчивость поверхности зидкости под воздействием магнитного поля, когда возникают пики на поверхности. Известен целый ряд работ по изучению поведения каїіЛИ магнитной жидкости \М&) в магнитном поле.
. Применяемые на практике в качестве активной среды в уплотнителях, сепараторах материалов, устройствах для снятия злектростатиче- , синх зарядов, «.-"нитяне жидкости представляют собой, в основном, коллоидный раствор ферро- или ферримагнетиков в диэлектрических средах:.керосин, минеральные масла, полиэфирси^океаны. Как показали исследования, такие жидкости - слабопроводжцие диэлектрики, диэлектрическая восприимчивость которых сравнима о магнитной ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ.
Свойства этих жидкостей, поведение поверхности раздела и капел?»
при одновременном действии электрическг-с и магнитных полей слабо
изучены. Только в последнее время появились работы по исследованию
этих свойств в связи о их практическим применением. Известны нес
колько работ по колебаниям капель Ш г, магнитном и электрическом
пол та. Автоколебания капли Ш в электромагнитных полях с наружены
нами впервые, ' .
Магнитные нидкости, содержащие микрокапли - уникальный объект исследования в связи с тем, что межфазное поверхностное натяжение в них очень мало (1С"? - 10"3 эрг/см2) , а магнитная проницаемг-:ть млкрокапель достаточно велика - . Поэтому микрокапли обладают способностью дефор-чрбваться в слабых магнитных полях ~ і э, что обусловило применение магнитных жидкостей, содержащих микрокап-ля. Актуальным представля-зтея изучение возможности применения ML!,' содержащей микрокапли для визуализации видеозаписи и цифроаой записи,'а также для контроля работы экспериментальных магнитных- головок.
Проблем... снятия злеї ростатическ-х зарядов : едставляет с 'ой интерес в связи с широкой возможностью ее применения в различных отраслях промышленности. Поэтому возніисла необходимость усовершеи-
сгвования имевшегося устройства ..л снятия зарядов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной і.іучно-техничєской программе4 "Ыагпптние жидкости" Минвуза FCSCP, разделами 1,3,5,9 "Физика магнитных жидкостей" Коорданацпонвого шиш РАН.
Целы" настоящей рпботн является:
изучение колебания капель 1,12 при одновременной воздействии электрг ' -."ікохО и магнитного полей;
изучение автоколебаш капля IF и механизма пх возникновения в гдоктрическом и магнитном полях;
исследование неустойчивости плоек Л поверхности Ш в электрическом, магнитном и ультразвуковом полях;
разработка методики яиэуализЕцип магнитной записи зкепериионтаиь-уях. магнитных головок п контроля работы МГ;
разработка устройствг для сь-.ші электростатических зарядов с пр>-'. впекаем периодического струйного течения М2.
Нг учная нотчъщ диссертации состоит з с"«*;.уадгм;
іперві" исследована проводимость МГ в едш-.говзм терпкій г» обяа-t:jt.s>ho изменение провоте-остн Ш в едьатопог* іічєні...;
ыйяена зависимость г'езсдата:ай чистоті' пх ''i.4'„rtr„z<~n-wi-a кісп-Гніііїл л.ії.окосг",;, ьтыых &,иг.'шдіого к г-ч.-игрй^слсги псязп. Ноказн-;:.о:, что с ухетачйіпіоіі т.';їіі!:>>зг ілілчяг&ж лоі:> ;..їооніііс.'Ші частота ;ліЄліппвйет*-:кЙ кра рг.йиййстк»» рлек-тдасх^г-' п'тг. різопинская
; :,о»-оха умеиыл^тся, і'вслі.чяЕабтср. добротность .-^обглельной епс-'.- euj;
- Siiapauo обнаружены г* іісследоьаіи йЕтс^слеЗаг^л капли Ш, поігаквн-
i.jsi меаду двумя иамагкцчонніая электрод л;і, йліисаіШ нелинзйнно
уравнения колебаний п тенгрлчееком и магнитно;,! полях," азспоркмиь
ї&дьнй найде їм коаЭДицяеита ь атих ураепгшшх. Показано, что о до
статочной точностьа наблюдаемые ві околобанза о;і::сїіе2ОТ0я ураано-
ипем Рзлея;
- исследована ньустойчквоояь поверхности КЗ в электрическом » маг- '
шшюм полях с начальпг»,' деі|орішиией ультразвуков нолей. Разра-.
йоте . подхг z к часленнелу реиенио уравнения глрроотатики дерр;,щ-
роваииоп поверхности. Показано, «то пайдгиш;!! подход коэ-оляет спи
сатіг гаотбрезке всзшпсасЕг-дзл к лечгллоьенм структур іш. ncsepsao-
сти .;3;
разработаг. методика оценки качылва и работоспособности экспериментальной головки X - lat и 12-дорояечного блока магнитчых головок с помо'п*г>ю жидкости, содержащее микрокапли;
разработан магнитожидкостнкй струйный злектронейтрзлизатор - устройство для отвода электростатических зарядов.
Практическая ценность;,
предложено применение Ш, содержащей микрокапли, для контроля комбинированных и иногодорожечных блоков МГ;
предложен способ определения насыщения магнитной цепи головок;
- разработана методика контроля работы экспериментальной головки
R-: : ;
- предложен способ применения периодического струйного течения !И
для отвода электростатических зарядов.
Автор выносит на зашиту;
разработку методики и результаты исследований вынужденных колебаний капли, помещенной между двумя намагниченными электродами;
результаты экспериментальных исследований впервые обнаруженных автоколебании капли в электрическом и ма^ччтном полях; представление о механизме возникновения автоколебаний;
результаты исследования неустойчивости поверхности магнитной жидкости в электрическом, магнитном и ультразвуковом полях;
способ отвода электростатических зар цов с ооъектов периодическими струйный течениями магнитной жидкости;
методику и результаты определения полей рассеяние блоков магнитных головок;
результаты определения пол-й jarracn маг.т'тяых сигналограмм я ви-деофонограмм о помощью исследования неустойчивости микрокапель.
Реализация результатов;
результаты работы по визуализации магнитной записи внедрены \а п/г
"Впльма", г. Вильнюс.
Апробация работы. Материалы дяесрітациі. іной работы докладывались и обсуждались на : 1Г Всесоюзной пколе-семика^ ' по магнитным кицкостям (г. Плес, 1985) , И Всесоюзном совспрчн;' по физике маг-
нитиых жидкостей (г. Ставрополь, 1986") , 12 Рижском совещании по магнитной гидродинамике (г. Саласпилс, 1987) , У Веоооюзной конференции по магнитным жидкостям (г. Плео, 1988) , 1У Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (г. Пермь, 1990) , 13 Рижском совещании по магнитной гидродинамике (г. Саласпилс, 1990) , У1 Всесоюзной конференции по агннтішм жидкостям (г; Плес* 1991) .
Публикация работы:
основне содеря нпе диссертации опубликовано в 15 печатных работах.
Объем я структура роботы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и трех приложений. В работе 168 страниц машинописного текста, включая 56 рло/нков на 60 страницах. Библиография включает 83 наименования.
Во введении аргументируется актуальность теш диссертации, сфомировани цель и задачи исследования, приводится краткая характеристика полученных результатов и основные положения, выносимые автором на зашиту.
В первой главе дан обзор теоретических и экспериментальных работ, в которых рассматриваются: неустойчивость и колебания свободно '* поверхности магнитной жидкости при воздействии магнитного, электрического полей,.гидростатика и неустойч' ость капель магнитной '«пакости. Приводе данные по исследования колебаний плоской пове-ytHocTJ. магнитной липкости п микрокапель Ш в магнитном поле.
Во второй" главе описывается объект исследования, приводятся г 'кшо по измерению плотности, намагниченности, концентрации, вязкости образцов. Приведены методики и результаты измерений электрических и ыаг-'пт.'.их свойств МІ. Для движущейся жипкости при изучении струпного точения v. гіптоколебакий исследовано изменение проводимости в сдвиговом течении.
Нрос^о-дкмо было ігсследо:«ать гле/.трическиэ свойства, связанные с те>: :. :.: -^д-ессти, когда <:гра:с?ер;!сг;тчс'с::;те расстояния мс;.-цг/ ї.ії. HT;v;rj'!: плр.-іг.':л сг.нгл.'.'гтгог., і: иг. г'лгктггд:; подаете; постояннее nnrivrwittr ..rp--.'-;a ve.<:?H киловольт, В связи с о"-..:.: гзмзреисе д:-?-^ркт^і.чї-^чсЛ гтучнцг.є'.'.О'Гіи L методо:.! хочу нсатора окралось зг,-
?';vr,V.' теЛ!-':': V» !*Є"ТЄ*.''.' К'ЧЛ'Л ('СД^ЛЬЗСГГ-ЧСЯ "/ГТОЇЇ КгЛЬМіР" .. ГОЗВО/'К
юдай измерить '' по' сило, действуем Я на обкладку конденсатора.
Иоследована аффективная проводимость магнитной жидкости в ся>' говом точении. Собранная установка (рис. 1) позволяла оценить пиьк-пение злектричёоких свойств магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях. Две стеклянные бюретки 1 и 2 и измерительная ячейка 3 соединеш меду собой ПХВ-трубками. Измерительная ячейка, показанная на рис. 2, состоит из двух пластин, изготовленных кз фоль-тированного гетенакса. Расстояние между пластинами 20-1СО мш заполнялось ив читно? жидкостью. ІІа пластини подавалоо:, напряжение до 30 3, Скорость в ячейка регулировалась изменением уровня з баретках.
Била исследована зависимость -проводимое і яідкоотн от скорости ее пр'текани^. Для етогэ на г астины ячейки подав чоеь наі:ря:лЄ» нио, и при установившемся токе жидкость прокачивали через ячейку. На рис. 3 показана зависимость тока через яче"ну от времени hoc-j?---шшочения постоянного папрякоїшл и , Из рисунка видно, что о і с пониєм времени t ^'«10""^ с - характерное время изменения провс-дилссїії, связанное о релаксацией объемных зарядов) tor I jisgkh.!--стоя из-за полярняртцга в зктродов, объемный заряд с ученънеаисм т; ка увеличивается. Опенка времени релак един здесь дает те -о результаты, чіп и оценка по измерениям проводимости в сдаигопоїд двкже-нии. На р- , 4 показана зависшость тока через ячейку от средней сдвиговой скорости \У . Видно, что с величанием скорости протока-пля жидкости при постоянном напряжении между пластиками .роводц -месть увеличивается* Оценка времени релаксации робъемкых зарядов по данншл графика 3 дает t'-10"2o.
Третья глава госвяшона изучению колебаний и деформации капе-/.;, магнитной жидкости'в ьлектрическом и магнитном пол.га, а также зу-<%экйю периодического струйного терния и неустойчивости плоской поверхности Щ рис. 5 г.,б,в показана охека экспериментальной уста---кзька. Осветителем 1 свет; направляется На капли между двумя элек-тродамн-сг..рамн ("рис. .5 6), сделанными из отожкегшой стали, который удерживались в магнитной поіїе соленоидов с сердечниками, fe» .и?я ййдкости, проеі0ірсв"лась объективом 4 на р-ран 5. Расстояние иояду каплей, сИептпвом и зї.раном выбрано таким, чтоби увелйлегш: іізобрахсзшя'было равно Б— В экране прорезана ше ь размером 0,'хс isr. Sa щелью находился фотодиод с диаметром входного зрачка Б кц„ . ?крап и фотодиод укреплялись на подвижном столике микроскопа оцти-
1 -канал длл псдачи шдиоста, 2,S уплотнения, 4. - і-ететакс, 5 - es*> мерительная кем.зра
Рис. 1 -
t'KC-
***
U икА
U»t26
,-«
50 -юо Рис. 4
' І I I I I II
г h 6 те <о о
Рис. 3
w.C
\
і..
Л
З І_
СП
?*Z1SP?-
1 - осветитель, 2 - соленоиды, 3 - потгчпжина ОТОЛГК,
4 - объектив, 5 -.экран, G - фотодиод, 7 - подвиянні' столк.ч
микроскопа.
Рис. 5 я
1 - намагничиваюэиеся шары, 2 - капля магнитной жидкости,
3 - сердечники. т,ио> 5 б
1 - подмагничивагощие катушки, 2 - ферр."товыг сердечники, 3 - ка-плл магнитной жидкости
Рис. 5 в
ческой скамьи ОСК-3 и мої .-. перемещаться в трех измерениях; Для из; чения резонансних явленії'! : конструкцию вносилась изменения (р''с. 5 в) . Вместо железных стоя чников, на которых удерживались намагниченные шари, в соленоиды помешали;* ферритовые стержни длиной 10 см с закругленными концами диаметром 0 ш, ка которые нанесен слой алюммния. Замена ме аллических сердечников и шаров на ферри-товые стсряши была обусловлена необходимостью уменьшать токи Фуко в переменном магнитном поле.
Чапля магнитной жидкости типа "магнетит в керосине"'концентрацией 2-20 об.$ помета.'"1 сь между намагниченными полусферическими полюсами электромагнита.
Установка позволяла создавать постоянное и іерємєнное магьлт-!ше ноля Н -H*HecpSw, Постоянное поле Н. удерживало каплю, а . переменное Н0 Cos lot заставляло каплю совершать вынужденные колебания.
Записано уравнение гидродинамики поляризующейся намагничива-вщайся среда, содерма^оН объемные заряда. Проведены оценк" различных сил, действующих в магнитном и электрическом полях. Экспериментально показа""), что объемный заряд в жидкости биполярный, и ку-леновская сила Z Е па 2-Ь порядка больше поляризующей силы. Под
действием электрического і ля возникает утолтение перемычки, образованной капле!! Ш ^Jb..t,^p-. ,,,,ГС%.^. между двумя електродами (рис. 6) . При из-іМЙУ-^'^'^^v^ манений полярности постоянного напряжения'
сохраішетея симметрия перемычки, что как раз и обумовлено Сиполярностью заряда. . Ъ. неоднородном доле со елок .ой геометрией Fnc. 6 точного руления для волн, распространявшихся по поверхности капли, найти не удается. О учетом дискретности спектра частот собственных колебаний, оддано предполодеішо, что каждая Из набора стоячих волк моле? ре.сс:.итр:;ьй-ться как система связанных осцилляторов с одной степенью свободі;. Если в системе наблюдаются стоячие волны только определенной час -тоты 1і)і;(какая-либо мода колебаний) , то колебательная система ио-SDT бить оіпісаиа одног.'прниы уравнение).? малых иодеовний с одной отг"еньи свободо.
л качество обсосанной коуЬд'-ііитн в ур_знании Лгіграчма для ог .ределенпой моды колебаний выбрано смещение проиааодьиои точки про-
екцші капли на экран. Записано уравнение Лагранжа для такой системы. Полученное ранее уравнение двмяения после оценок сил и упреке-ний удается записать в форме Коши-Лагранжа, так как все силы, ъко-дяшие в него, потенциальны.
Уравнение движения Ш при воздействии электрического и магнії' ного полей имеет вид:
Р -jJI-zEtMvH^E^-tf- vp Cl)
Г"
Электрическое поле входит j два слагаемых: кулоновскую силу У С і поляризационную силу Pv Ё. В геометрии электродов, реализуемых экс перименталыю, Рс Е направлена к электродам ^ сторону возрастшш* поля, наг^авлені'* кулокевской силч 2 С может бить рплнчнш в за-"пиитмостй от зіщка плотности объемного заряда 2. , При униполярно:; заряде сила ?. Е направлена в сторону одного п электродов. Это означает, что с включением напряжения симметрия капли дохтна нарушаться. В эксперименте наблюдалось сохранение симметрии капли, из чего t,.j;KFo сделать вивод, что объемный заряд_мзгиитной жидкости би полярный, причем величине кулоновской силы 2 Б больше полярнэапион ной. До опрепелс.шого напряжения кулоне екая сила, увеличивая давление в центре капли, г де велі.шна объемного заряда Z в силу симметрии рагна нулю, приводит к утолщению перемычки. Но состояние, когда кулоксвскке силы, действуя навстречу друг другу в обеих поло-вин .х капли, станут болыпе суммы намагничивающейМ^Н и юлярнэа-ционпойсил ?VC , станс .літея неустойчивым. В этом случае возникает течение внутри капли, с-зли толт"ча передачки больше некотерої критической, или автоколебания капли.
. Экспериментально „ становлено, что увеличение г,*агнитного пг "Я приводит к уменьшению толшинн перемички, то есть электрическое и магнитное поля действую- в какой-то степени ослабляя друг друга, ?то означает, что резонансная частота вынуаденних колебаний *-*-> р должна уменьшаться при вк лечений электрического поля. Но, как бь...о показано ранее, объемный заряд, образующийся в магнитной жидкости, f-їїределяется не только напряжением на ячейке, чо и скоростью течения жидкости, поэтому с увели энием скорости сдвигового течения объемный зар^д уменьшаете .
В уравнении колебаний воздействие постоянного электрического поля исаяо формально представать слагаемым Р =(р Ц"(дГдг), где
\J - напряжение , дГ и ЛГ - смещение и скорооть точки на границе
проекции капли.
Рис. 7
Раскладывая в уравнении движения
Получены резонансные кривые рис. 7 из анализа которых следует, что с ростом электрического напряжения их ширина уменьшается, то есть уменьшается затухание. При некотором напряженки затухание становится равный нулю, и в системе возникают автоколебания. О увеличением напряжения монет возникнуть ситуация, когда в колебательной системе диссиниру-емая энергия будет компенсироваться "отрицательным" трением, по-,;вляю;шмся за счет электрического тока.
ірді
(2)
электрическую сил:/' гэ по степеням скорости ul* с точностью третьего порядіса
::о.т\'чи..
::олпгпл здесь получим
дГ' = ЛГ_+(йГ)*" «ДГ
дг » 2/ дг -адг~Ьдг5+и4дг = |созш1
= 0і! вводя обозначения (7 - ?, "
2j>-a
ДГ -<Г (<-^ДГ^ДГ + и)?ДГ-0
иуі
(з)
О)
2]-а
f5)
- г- - . дьтоколобзния кайли описываются уравнением Рэлея.Наблюла -'Сь \ы типа авт.окс-лебаниГ; - релаксационные и квпэигармонические. 1л получеийя первых в экспериментальную установку включалось боль-
(- - СОПрО-
вчбіинеє сопротивление, T-0KCO, ЧТО К'5н ^ ГЧ*. гл0
ishuc каггу.w,. образующей перемычку №>«м$жду варзыл. Под возде"-
СТЕ!.іс;» постоянного иагнитного поля капли удеряпьаоте/. і;:, ..и.<:г.: ., дах и вытягиваются в пики. Затем включается эл~.-л:№ <-:с ';-< ''oj-
ПОД ЄГО Ь0ЭДер1С'ГВИеи ВКСЭТП ПИКОВ увеЛ^ЧИЕаеТСЛ, її !.:а(,<УіОк;>іГ; ;;
аду німа уменьыается. При критическом значении напряжения 'j„ .. г, -ки смыкаются, образуя перемычку, которая разрывается при ы-: <: нии ?,.<»'» причем ".* _ . ^'гистерезис),
В "'-ЛеНИИ Времени-' ПО ПереМЫЧКе ИДЄТ ТОК, ПО'ЛЛГ ЧЄГО НЯІП1.
яение на электродах падает, происходит разрыв перегички, а п;п.-:: восстанавливают первг іачальчую форму - возникают ре.т'зтсзшіони-".' <.<; дебания, период которых зависит от $ци, причем Км в эксиеу'."^ ^: тазе ипм-эмалось,
В последнем параграфе главк 3 описаны результат 'V<;.m іМ/аи-" неустойчив сети плоской поверхности MZ в электрички;* ;ц ., v .-./^(----полях, в уоловиях, когда начальная деформация ceo-Joij.v *? го; ^рччо-: ти создается ультразвуковим лучом. При зкеперимс .талъиом изучена возникновения и исчезновения пиков на поверхности :шд;-ост.' тС\пл\ч ются, как правило,два неустойчивых; состояния: сканкосора/и-лі- gov. зованпо ш' оа при увеличении магнитного поля ( ">:'з.-тклч"' ;:.-^стс/. весть) к скачкообразное і... исчезновение: при уменьгаотаи па:.^
В диссертации развит подход, в котором начадиш; дИг><' .mv . сами пики представлены в виде эллипсоидов вращения, и ко. оскоьик-. этого преде: .заны два наблюдаемых в электрическом и магнитном пол*-": вида неустойчивости. Записано уравнение равновесной по .зрхноста VI: ка полюсе полуэллипсоидов "Ш одновременном воздействии электрического и магнитного,полей, приведено его численное решение и листик* программы. Для малой начальной деформации решение линеаризованного уравнения равновесной поверхности дает для критически, электрического 0 и магнитного h0полей соотношение:
На рис. 8,9,10 приведены результаты экспериментов и численного ре шения уравнения,
В четвертое глава рассматривается практическое прш. ненш: результатов изучения струйного течения и не, стойч*,востн шиерокапелг, магнитной жидт -сти.
Исследовались поля проникания в комбинированна.! блоке магнитны; -головок, состоящем из двух записывавших і двух воспроизводящих головок, разделенных пермаллоевыми экранами. Головки находятся на не-
К, с и
П Ьй кй ЛО 60
0,1 0,г С,Ь й,к
l-h,„>= 0,4 си, 2-Ц=0,3 см, 3- к0= 0,2 см, 4-К,-0, см» 5- 44^= 0,01 см.
1-*,= 0,6, Й-1Г« ^,9 3-^1.2, 4-^-1.5
Рпо» 9
А<І5 ' і\і Ц1$ ., . 0,1' Рис. 10 .
больше і расстояния ^руг от друга, поэтому при работе записываваой головкп часть гатока рассеяния зашкаетоя.через воспронз. одявуя головку, что и создает эффект проникания. Для изучения этого о'^энт-попользовалась '^устойчивость микрокапель магниточувстзительноЯ МЯ. Датчик поля (плоский слой МЗ, содержащей микрокапли, и orpam.- . пешшй покровными стеклами толщиной 200 мкм") помесили на исследуемую головку, По обмоткам головки пропускали тик, под „ейотвием поля которого микрі...апли приходили в неустойчивое состояшів я вытягивались вдоль силових линий Величина поля в различных точках поверхности головки "Комби" определялась по градупровочкнм кривим (зависимости вытяжения к лель от величины магнитного поля) . Енло установлено , что головки влияют на работу друг друга.
Подобным же образом исследовалось ноле проникания и в двенад-цатидорожечном блоке ИГ.
Струйное течение магнитной жидкости использовано т. разработке кагнитожидкоотного пішукцяонного струйного злектронейтрализатора, принцип работы которого основан на Использовании явления возникновения элоктрогндродинамического течения о поверхности слоя Ml в э::э-ктричесш и магнитном полях. Устройство обеспечивает отвод элект- ричеоких зарядов струями МЖ, возникающими в разрядном промежутке. Возникновение струйного течения магнитной -'їдкості' происходит при значительно меньшей напряженности электрического поля, чем традиционно используемый коронный разряд. Время разряда' регулируется магнитным полем в пределах нескольких порядков.