Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Коллективное поведение частиц в дисперсных системах при воздействии электромагнитного поля 10
1.1 Поведение частиц в газах и жидкостях при воздействии электрического поля 10
1.2 Электрические свойства слабопроводящих жидкостей 17
1.3 Образование структур в жидких магнитных дисперсных системах 22
1.4 Обоснование направления исследования 34
Глава 2. Объект и методика экспериментального исследования 36
2.1 Объект исследования 36
2.2 Экспериментальная установка 38
2.3 Методика проведения экспериментов 43
2.4 Анализ погрешностей измерений 48
Глава 3. Образование динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля ..52
3.1 Образование динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии постоянного электрического поля 52
3.2 Образование динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии постоянного и переменного электрических полей 59
3.3 Электрические свойства тонкого слоя магнитодиэлектрического коллоида при образовании динамических структур 73
3.4 Формирование динамических структурных образований при воздействии протекающего через ячейку заданного постоянного тока 82
Результаты и выводы главы 3 86
Глава 4. Теоретический анализ формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля 88
4.1 Модель слоя магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля 88
4.2 Формирование структурных образований 90
4.3 Изменение отражательной способности границы раздела «электрод - слой коллоида» 104
4.4 Изменение электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида 108
4.5 Автоколебания напряжения на электродах ячейки 110
Результаты и выводы 4-й главы 111
Заключение 113
Литература
- Электрические свойства слабопроводящих жидкостей
- Образование структур в жидких магнитных дисперсных системах
- Образование динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии постоянного и переменного электрических полей
- Формирование структурных образований
Введение к работе
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов
формирования динамических структур в тонком слое
магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля. Коллективное поведение частиц, выражающееся в образовании различных динамических структур, характерно для многих дисперсных систем, при получении ими притока энергии извне в результате воздействия механической силы, магнитного или электрического поля. Особенный интерес вызывает поведение таких систем с частицами малых размеров, когда традиционные механические способы воздействия на частицы оказываются малоэффективными. При применении дисперсных систем в промышленности во многих случаях используются их слои и пленки различной толщины. Однако является известным факт, что свойства вещества в случае тонких пленок отличаются от свойств объема из-за проявления размерных эффектов. В связи с этим, исследование коллективного поведения частиц в тонких слоях дисперсных систем при проявлении размерных эффектов, представляют как научный, так и практический интерес. Важным также является получение информации об изменении состояния тонкого слоя дисперсной системы в случае возникновения неоднородностей по каким - либо физическим параметрам и влиянии особенностей коллективного поведения частиц в системе на ее физические свойства.
Высокая стабильность магнитодиэлектрического коллоида при отсутствии внешних воздействий, малые размеры частиц (порядка 10 нм) и их эффективное взаимодействием с электромагнитным полем позволяет исследовать общие закономерности коллективного поведения наноразмерных частиц в электрическом и магнитном полях. Воздействие электрического поля на такую среду приводит к формированию
приэлектродных областей, свойства которых значительно отличаются от свойств самого коллоида, что позволяет в случае исследования тонкого слоя выделить влияние размерных эффектов.
Все это свидетельствует о том, что в настоящее время актуальными являются исследования явлений, обусловленных коллективным поведением частиц в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии на него электрического поля.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование особенностей процессов формирования и трансформации динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного и переменного электрических полей и их влияния на его электрофизические свойства.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
создание экспериментальной установки, позволяющей одновременно исследовать: процессы формирования динамических структур в тонком (20 мкм) слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии постоянного (0ч-1,5 МВ/м) и переменного (Ет=0-:-1,5 МВ/м, f=3-i-100 Гц) электрических полей, электрические свойства слоя коллоида И' отражательную способность поверхности раздела электрод - слой коллоида;
изучение процессов образования и трансформации динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии постоянного и переменного электрических полей.
исследование электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида и установление их взаимосвязи с процессами формирования и трансформации динамических структур;
— проведение теоретического анализа механизмов наблюдаемых
процессов образования динамических структур в тонком слое
магнитодиэлектрического коллоида.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Обнаружено и исследовано формирование динамических
структурных образований в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии постоянного и переменного электрических полей большой напряженности (до 1,5 МВ/м). Впервые построена фазовая диаграмма, отражающая трансформацию динамических структурных образований в зависимости от величины постоянного, амплитуды и частоты переменного напряжения на электродах ячейки, заполненной слоем магнитодиэлектрического коллоида.
Обнаружено и исследовано изменение гармонического состава переменного тока, протекающего через слой коллоида, при дополнительном воздействии на него постоянного электрического поля. Показано, что его причиной является наблюдаемое в этом случае фазовое разделение коллоида, установлена качественная связь между формой переменного тока и видом возникающих в слое магнитодиэлектрического коллоида структурных образований.
Установлено, что в низкочастотном диапазоне (3-8 Гц) при постоянном напряжении на электродах ячейки выше некоторого критического значения (UKp) происходит аномальный сдвиг фаз между переменной составляющей тока, протекающего через слой магнитодиэлектрического коллоида и переменным напряжением на электродах ячейки (отставание по фазе тока от напряжения).
Впервые обнаружено формирование динамических структурных образований в результате воздействия,постоянного тока, протекающего через слой коллоида и задаваемого внешним источником тока. Установлено, что при этом на электродах ячейки, заполненной слоем магнитодиэлектрического коллоида, возникают автоколебания напряжения.
На основе известных теоретических разработок и модельных представлений о строении слоя магнитодиэлектрического коллоида в электрическом поле, учитывающих образование приэлектродных областей со свойствами, отличными от объема коллоидной системы, проведен анализ возможных механизмов наблюдаемых процессов образования динамических
структур и изменения электрических свойств слоя коллоида.
Достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния, электрофизики, физики магнитных явлений; согласуются с известным опытом исследования процессов структурообразования в других системах. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и других научных конференциях.
Практическая ценность результатов заключается в том, что исследованные процессы формирования динамических структур в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля могут быть использованы для создания устройств электроочистки от загрязнений и диагностики состояния слабопроводящих жидкостей. Результаты могут быть полезны при создании материалов с новыми свойствами, а так же моделировании коллективного поведения частиц в других дисперсных системах.
Автор защищает:
1. Результаты экспериментального исследования процессов
формирования динамических структурных образований в тонком слое
магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии
постоянного и переменного электрических полей. Фазовую диаграмму,
отражающую трансформацию динамических структурных образований в
слое коллоида.
2. Обнаруженный аномальный сдвиг фаз между переменной
составляющей тока, протекающего через слой магнитодиэлектрического
коллоида и переменной составляющей напряжения на ячейке при
постоянном напряжении на электродах ячейки выше некоторого
критического значения (UKp).
3. Обнаруженную взаимосвязь между процессами образования
динамических структур в слое магнитодиэлектрического коллоида и формой
переменной составляющей протекающего через него тока.
4. Проведенный на основе известных теоретических разработок и
результатов исследований анализ возможных механизмов формирования и
трансформации динамических структурных образований в слое
магнитодиэлектрического коллоида и изменения его электрических свойств.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на III Международной конференции «Современные проблемы физики» (Казань, 2005г.); 11-й и 12-й Международных конференциях по магнитным жидкостям (Россия, Плес, 2004, 2006гг.); II Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Россия, Санкт-Петербург, 2006г.); XII Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006г.); IV Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике» (ЮРГТУ, Новочеркасск, 2005г.), Межрегиональной конференции «Электрофизика материалов и установок» (Новосибирск, 2007г.) Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (СГУ, Ставрополь, 2007 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ (вместе с тезисами докладов), в том числе 7 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК.
Личный вклад автора. Проведены исследования формирования динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии постоянного и переменного электрических полей, на основании которых построена фазовая диаграмма, отражающая трансформацию структурных образований в слое коллоида. Исследовано
изменение электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида, на основании чего установлена качественная связь между формой переменного тока и видом структурных образований. На основе известных теоретических разработок проведен теоретический анализ механизмов наблюдаемых процессов образования динамических структур и изменения электрических свойств слоя коллоида.
Электрические свойства слабопроводящих жидкостей
Электрические свойства слабопроводящих жидкостей во многом определяются процессами, сопровождающими протекание через них электрического тока, такими как образование объемного заряда и формирование электрогидродинамических течений.
Вопрос о возможных механизмах проводимости жидких диэлектриков рассматривается в [11]. При этом рассматривается ВАХ слабопроводящей жидкости в идеальном случае, так называемая «кривая Никурадзе» (рисунок 1.3), в которой выделяется три участка: проводимость при низком напряжении, среднем и высоком. Подчеркивается, что очень часто получаемые экспериментально ВАХ слабопроводящих жидкостей значительно отличаются от идеальной, но при этом присутствуют первый и третий участки, в этой же работе проводится разделение на проводимость при низком и высоком напряжении. Основными носителями заряда в слабопроводящей жидкости принимаются ионы [12], причем ионная проводимость может быть как собственная, так и примесная, появление которой обуславливается наличием небольшого количества молекул электролитической природы, кроме того, в большинстве случаев в слабопроводящих жидкостях происходит нарушение электронейтральности.
Во многих работах указывается, что свойства приэлектродного слоя слабопроводящей жидкости отличаются от свойств ее объема. По этой причине жидкость в межэлектродном пространстве можно представить в виде слоистого диэлектрика. Двухслойный диэлектрик с проводимостью в однородном электрическом поле рассмотрен в [17]. Накопление свободного заряда на границе раздела двух сред с различной проводимостью приводит к ее неустойчивости. Вопрос развития неустойчивости на границе раздела двух жидкостей с конечными проводимостями, под действием однородного электростатического поля, направленного перпендикулярно невозмущенной границе раздела, рассмотрен в [18, 19]. При этом для подобной системы получено дисперсионное соотношение, описывающее связь безразмерной комплексной частоты s, определяющей параметры неустойчивости, с параметрами исследуемой системы. В результате было показано, что в рассматриваемой системе может возникать апериодическая и колебательная неустойчивость. Подобная апериодическая неустойчивость так же возникает на свободной поверхности тонких (—100 нм) пленок полимеров [20], вызывая образование различных структур. Образование объемного заряда приводит к появлению пондермоторных сил, действующих на диэлектрик, что может приводить к возникновению движения жидкости — электрогидродинамических течений (ЭГД-течений). Как показано в работах [21, 22], возникновение ЭГД-течений возможно, когда существует неоднородность среды по времени электрической релаксации г и работа объемных сил при механических флуктуациях положительна. При этом система должна находится в неустойчивом состоянии, что возможно в случае антипараллельности векторов градиента объемного заряда Vp и приложенного электрического поля Е. Но в большинстве случаев, при экспериментальном исследовании распределения объемного заряда, в межэлектродном промежутке наблюдается гетерозаряд, при котором Vp Е. В этой связи предполагается [23], что возникновение электроконвекции происходит из-за неоднородности распределения объемного заряда в приэлектродной области, кроме того, ЭГД-течения поддерживают эту неоднородность, что так же подтверждается измерением заряда в потоке жидкости, направленном от и к электроду. Первопричиной неоднородности объемного заряда является нестационарность прохождения тока через жидкость. В случае же наличия границы раздела двух сред с различным временем релаксации г, ее неустойчивость, возникающая в электрическом поле [18, 19] может так же стать причиной ЭГД-течений.
В обзоре [21] рассматривается основные закономерности возникновения и развития ЭГД-течений. Авторы вводят понятие электротермической, электроконцентрационной и электромеханической конвекции. Разделение типов возникновения конвекции в электрическом поле основано на механизме возникновения нескомпенсированного объемного заряда в жидкости. В данной работе показано, что возникновение ЭГД-течений приводит к появлению дополнительной составляющей выражении полного тока через слой слабопроводящей жидкости -конвективной, jcom = pv, где р - объемная плотность зарядов, a v - скорость жидкости. Вместе с тем рассматривается поведение дисперсной системы при возникновении ЭГД-течений, которое в значительной степени обусловлено её электрическими свойствами.
Электрические свойства дисперсных систем рассмотрены в [24, 25, 26]. В книге [25] особое внимание уделено поверхностным явлениям в дисперсных системах, что позволяет учитывать многие диэлектрические явления в дисперсных системах и применять диэлектрическую спектроскопию для их исследования. Поляризация границы раздела фаз, рассмотренные для системы сферических частиц [25] и для слоистой системы [26] имеет большое значение при накоплении заряда на неоднородностях среды, вызванных наличием дисперсных частиц или образованием приэлектродных слоев со свойствами, отличными от свойств дисперсной системы.
Образование структур в жидких магнитных дисперсных системах
Современные успехи в области синтеза наносистем, позволяют получать магнитные дисперсные системы, устойчивые к. расслоению и сохраняющие свои свойства длительное время - магнитные жидкости, представляющие собой высокоустойчивые коллоидные растворы однодоменных ферромагнитных наночастиц в жидкости-носителе. В случае применения в качестве основы магнитной жидкости какого-либо жидкого диэлектрика (керосин, трансформаторное масло, кремнийорганическое масло), дисперсную систему можно классифицировать как магнитодиэлектрик или магнитодиэлектрический коллоид. На свойства магнитной жидкости большое влияние оказывает выбор дисперсного магнетика, в качестве которого наиболее широко используются магнетит FeOFe203. Дисперсные частицы, вследствие малости их размеров (около 100 А), находятся в интенсивном броуновском движении, что обеспечивает седиментационную устойчивость магнитодиэлектрических коллоидов. Для агрегативной устойчивости коллоидных систем с магнитными частицами необходимо, чтобы сближение частиц вызывало появление сил отталкивания между ними. Это достигается путем введения в МЖ определенного количества стабилизатора -поверхностно-активного вещества (ПАВ). Образованный на поверхности частиц молекулами ПАВ адсорбционный слой создает структурно-механический барьер, препятствующий укрупнению частиц из-за их агрегации. Обычно в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных органических молекул, строение которых характеризуется наличием короткой функциональной группы (щелочной, кислотной и др.) и длинной хвостовой цепочки (углеводородной, фторуглеродной и. др.). Как правило, в качестве классического стабилизатора для магнитных жидкостей используется олеиновая кислота.
Наиболее распространенной магнитной жидкостью является МЖ на основе керосина с дисперсными магнетитовыми частицами и олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Коллективное поведение частиц в магнитодиэлектрическом коллоиде, обусловленное воздействием электрического поля высокой напряженности (более 0,5 МВ/м), выражается в образовании структур, которые, в отличие от ранее исследованных [30-46], являются динамическими.
Образование агрегатов в дисперсных магнитных наносистемах -магнитных жидкостях (магнитных коллоидах) при воздействии магнитных полей проводилось многими авторами [30-46]. В работе [30] рассматривается возможность коагуляции магнитных частиц как спонтанной (без воздействия внешнего поля), так и вызванной внешним магнитным полем. Так как в магнитных коллоидах коагуляции частиц способствуют силы Ван-дер-Ваальса и диполь-дипольное взаимодействие, которое имеет порядок т Id (d — диаметр частицы, т - магнитный момент частицы, в случае однодоменности m=MsV, где Ms — намагниченность насыщения материала частицы, V — объем частицы), вводится безразмерная константа для частиц магнетита диаметром 9 нм Я = \. При Я 1 определяющую роль играют силы Ван-дер-Ваальса, с увеличением размера частиц роль магнитного взаимодействия возрастает. В данной работе так же описывается зависимость структурного состояния магнитного коллоида от размера частиц. Приводятся экспериментальные данные, подтверждающие, что в зависимости от размера частиц, а соответственно от значения Я происходит спонтанное образование цепочек (при Я»1). Цепочки , образуются при слабой объемной концентрации твердой фазы ( р Я2е 2Л). Высказывается предположение, что при больших ср возможно спонтанное образование кластеров. В [31] описываются типы агрегатов, возникающие в магнитных коллоидах. Так, возможно возникновение цепочечных, микрокапельных и квазитвердых агрегатов. Микрокапельные агрегаты представляют собой капли концентрированной твердой фазы с общей для всех частиц оболочкой, квазитвердые - состоят из коагулировавших частиц и ведут себя как достаточно крупные намагниченные частицы. Агрегаты условно делятся на мелкие, содержащие до 10 частиц, средние - до 106 частиц, и крупные свыше 106 частиц. С учетом разделения агрегатов по типам и размерам определяются функции распределения агрегатов по числу частиц. В этой же работе проводится экспериментальное исследование фазового равновесия свободных частиц с крупными агрегатами, основанное на изменении рассеяния поляризованного светового луча на агрегатах при воздействии магнитного поля. В [32] приводятся методики расчета агрегирования магнитных коллоидных частиц на основе диполь - дипольного взаимодействия. Исследования структуры, возникающей в тонком слое магнитной жидкости при воздействии сильных магнитных полей приведены в работе [33]. Авторы исследовали слой магнитной жидкости на водной основе толщиной 125 мкм. Слой жидкости располагался перпендикулярно силовым линиям поля. При полях 600 Гс наблюдались вытянутые вдоль поля агрегаты, распространяющиеся через весь слой магнитной жидкости. В плоскости, перпендикулярной полю наблюдалась структура в виде отдельных точек, приведенная на рисунке 1.5 а.
В этом случае подразумевается наличие цепочечных агрегатов, ориентированных вдоль поля. Распределение цепочечных агрегатов при воздействии внешнего магнитного поля предполагается равномерно по всему ограниченному объему, так как диполь дипольное взаимодействие агрегатов, не находящихся на одной силовой линии должно приводить к взаимному отталкиванию цепочек [34]. В слое магнитной жидкости так же наблюдается инверсия экстинкции света при прекращении воздействия магнитного поля [35]. Это связывается с образованием крупных микрокапельных агрегатов при воздействии магнитного поля, которые вытянуты вдоль силовых линий поля, а после прекращения воздействия образуются крупные сферические капли диаметром до 4 — 5 мкм, что и вызывает инверсию экстинкции. Образование агрегатов в магнитодиэлектрическом коллоиде при воздействии электрических и магнитных полей рассматривается в работах [36 - 46]. В работе [36] была проведена оценка энергии взаимодействия коллоидных частиц, приобретающих индуцированный дипольный момент (ИДМ) в разбавленных суспензиях. Показано, что энергия взаимодействия частиц меньше кТ на порядок, однако увеличение проводимости жидкости может привести к увеличению ИДМ на три порядка. Наблюдаемое образование агрегатов при воздействии постоянного электрического поля связывалось с образованием объемного заряда около коллоидной частицы. В [37] рассматривается возможность образования агрегатов в электрическом поле посредством диполь-дипольного взаимодействия частиц в слабоконцентрированной магнитной жидкости. При воздействии постоянного электрического поля на слой магнитной жидкости толщиной 40 мкм наблюдалось дифракция луча лазера [38], что позволило сделать предположение о возникновение новой фазы в слое магнитодиэлектрического коллоида. Дальнейшие исследования показали, что наличие молекул несвязанного поверхностно-активного вещества (ПАВ) может приводить к образованию агрегатов в электрическом поле [39].
Образование динамических структур в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида при совместном воздействии постоянного и переменного электрических полей
Воздействие переменного электрического поля, изменяющегося по синусоидальному закону E(t) = Ет $т(2яft) в частотном диапазоне 3 - 10 Гц так Рисунок 3.4 - Структура в слое коллоида с (р = 4% при переменном напряжении на электродах ячейки с f=5 Гц и: а) - Um = 10 В, б) - Um = 18 В, в) - Um = ЗОВ же приводит к формированию динамических структур. Начиная с амплитуды напряжения на электродах ячейки Um = 8 В в слое коллоида формируется ячеистая структура, затем, при Um = 10 В в центре ячеек образуются микрокапли (рисунок 3.4 а), которые увеличиваются в размерах при возрастании амплитуды переменного напряжения. Начиная с Um = 18 В микрокапельная структура начинает преобладать над ячеистой (рисунок 3.4 б), и в дальнейшем (Um 18 В) формируется лабиринтная структура из микрокапель (рисунок 3.4 в). Совместное воздействие переменного и постоянного электрического ПОЛЯ так же приводит к образованию динамических структур. Наблюдаемые динамические формирования можно разделить на ячеистые, лабиринтные и «движущиеся». Лабиринтные образования являются наиболее контрастными при наблюдении в проходящем свете, поэтому можно предположить, что концентрация частиц твердой фазы в них наибольшая. Рисунок 3.5 - Структурные образования в слое коллоида с ф = 4% при переменим (Um = 2 В, f = 5 Гц) и постоянном напряжении Un на электродах ячейки: а - Un = 7 В, б - Un = 12 В, в - Un = 15 В, г - Un = 19 В. При переменном напряжении на электродах ячейки с заданными параметрами Um = 2 В, f=5 Гц и увеличении постоянного напряжения происходит изменение структурного состояния слоя коллоида. При Un 6 В слой остается макроскопически однородным, затем в диапазоне Un=6-10 В наблюдается ячеистая структура (рисунок 3.5а), которая в дальнейшем при увеличении Un от 10 до 15 В переходит в лабиринтную (рисунок 3.56, в), а начиная с Un=16 В в слое формируется движущаяся структура (рисунок 3.5г). Переход от лабиринтной структуры к движущейся носит пороговый характер. Скорость перемещения движущейся структуры увеличивается при увеличении постоянного напряжения на ячейке. Рисунок 3.6 - Структурные образования в слое коллоида с ф = 4% при переменном (Um=4 В, f=6 Гц) и постоянном напряжении Un на электродах ячейки: а) - Un=7 В, б) - Un=12 В, в) - Un=18 В, г) - Un=25 В
При переменном напряжении на электродах ячейки с Um = 4 В, f=6 Гц и увеличении постоянного происходит формирование подобных структурных образований (рисунок 3.6), но при этом изменяется постоянное напряжение, при котором происходит их трансформация. Ячеистая структура возникает при более низком Un, уменьшается постоянное напряжение, при котором начинается переход ячеистой структуры в лабиринтную, увеличивается диапазон Un, в котором оба типа этих структур сосуществуют. В то же время напряжение перехода от лабиринтной структуры к движущейся увеличивается до 21 В. Сформировавшаяся при заданном переменном напряжении на электродах ячейки с Um= 8 В, f=5 Гц ячеистая структура в результате увеличения Un переходит в лабиринтную, которая существует при повышении Un до максимального значения - 30 В (рисунок 3.7). Переход к движущейся структуре при данной амплитуде переменного напряжения происходит лишь при частотах, меньше 5 Гц Рисунок 3.7 - Структурные образования в слое МЖ с ф = 4% при переменном (Um = 8 В, f = 5 Гц) и постоянном напряжении Un на электродах ячейки: а - Un = 5 В, б - Un = 12 В, в - Un = 17 В, г - Un = 23 В Микрокапельная структура, вызванная воздействием переменного напряжения с амплитудой Um=15 В и частотой 5 Гц, при увеличении постоянного напряжения начинает трансформироваться в лабиринтную (рисунок 3.8). В диапазоне Un=0 - 15 В совместно с лабиринтной существует так же и ячеистая структура (рисунок 3.8 а, б). В дальнейшем, при увеличении постоянного напряжения от 15 до 30 В происходит укрупнение лабиринтов (рисунок 3.8 в, г).
Структурные образования в слое МЖ с ф = 4% при переменном (Um=15 В, f=5 Гц) и постоянном напряжении Un на электродах ячейки: a-Un = 6 В, 6-Un= 12 В, B-Un= 18 В, r-Un = 22 В Исследования движения динамических образований показали следующее. Если в слое наблюдается только ячеистая структура, то она практически неподвижна в горизонтальной плоскости слоя коллоида. В то же время при возникновении лабиринтной структуры начинается перемещение образований в горизонтальной плоскости, причем эти перемещения происходят не постоянно, а лишь в некоторые моменты времени, когда амплитуда напряжения на электродах ячейке (при совместном воздействии постоянного и переменного) превышает некоторое значение. «Движущаяся» структура постоянно перемещается в горизонтальной плоскости слоя коллоида.
Воздействие постоянного напряжения при заданном переменном с параметрами Um=29 В, f=5 Гц вызывает формирование структуры в виде «больших» лабиринтов (размером 5 мм) с разделяющими их ячейками. Последовательность их образования можно описать следующим образом.
Сначала наблюдается лабиринтная структура из микрокапельных агрегатов (рисунок 3.9 а), которая сохраняется без значительных изменений при подаче постоянного напряжения до Un = 8 В. Затем происходит образование на ее фоне областей с меньшей концентрацией частиц твердой фазы (более светлые области на рисунке 3.96, в), которые при увеличении постоянного напряжения увеличиваются в размерах, и начиная с Un = 10 В в слое коллоида образуется структура в виде больших лабиринтов и разделяющего их пространства с ячеистой структурой, (рисунок 3.9 г) При дальнейшем увеличении Un происходит увеличение размеров лабиринтов, а так же увеличивается скорость перемещения структур в горизонтальной плоскости слоя, а начиная с Un = 25 В происходит размытие контуров больших лабиринтов (рисунок 3.9д, е). Рисунок 3.9 - Структурные образования в слое магнитодиэлектрического коллоида с ф = 6% при переменном (Um=30 В, f=5 Гц) и постоянном напряжении Un на электродах ячейки: a-Un = 5B,6-Un= 8 В, в - Un = 9 B,r-Un= 10В,д-ип=15В, e-Un = 30B. Наблюдения в отраженном свете поверхности слоя коллоида показали, что при наличии переменного напряжения на электродах ячейки происходит периодическое изменение спектра отраженного света. Воздействие постоянного электрического поля приводит структуры приэлектродных областей. Так, при ип=0-10 В и Um 8 В формирующаяся ячеистая структура не наблюдается в отраженном свете. В то же время, лабиринтная структура, образующаяся при Un=10-20 В наблюдается так же и в отраженном свете, а при возникновении «движущейся» структуры наблюдаются спиральные волны. Микрокапельная структура, формируемая при воздействии переменного напряжения с Um 20 В, так же как и структура в виде «больших» лабиринтов с разделяющими их ячейками, образующаяся при дополнительном воздействии постоянного напряжения, наблюдается в отраженном свете (рисунок 3.10). При этом в определенную часть периода переменного напряжения на ячейке области повышенной концентрации частиц магнетита окрашены в малиновый цвет (темные области на рисунке 3,10), а окружающее их пространство - в зеленый.
Формирование структурных образований
Неоднородность объемного заряда, накапливаемого на границе раздела приэлектродный слой - объем коллоида, может быть обусловлена возникновением неустойчивости этой границы. Если принять допущение о представлении приэлектродного слоя и объема коллоида в виде однородных сред, и при этом представить их качестве жидкостей с различными свойствами, то можно рассмотреть эту задачу как неустойчивость заряженной поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей с конечными проводимостями в нормальном электрическом поле. Подобная задача впервые была рассмотрена в работе [98]. В работах [18] выведено дисперсионное соотношение для неустойчивости границы раздела двух жидкостей в нормальном электрическом поле, на которой находится поверхностный заряд. Это соотношение устанавливается связь между безразмерными волновым числом, безразмерной комплексной частотой неустойчивости и параметрами жидкостей.
Рассмотрим более подробно возникновение неустойчивости на границе раздела приэлектродный слой — объем коллоида. Пусть две несмешивающиеся вязкие жидкости с конечными проводимостями сг, и сг2 заполняют в поле силы тяжести пространство плоского конденсатора. При этом примем, что невозмущенная граница раздела совпадает с плоскостью XOY декартовой системы координат, ось Z направлена противоположно силе тяжести. Верхняя жидкость - объем коллоида (область 3, рисунок 4.1) имеет кинематическую вязкость V, и плотность рх, нижняя жидкость приэлектродный слой (нижняя область 2, рисунок 4.1) имеет кинематическую вязкость v2 и плотность р2, так же примем, что на границе раздела сосредоточен поверхностный заряд с плотностью %. Поверхностное натяжение на границе между двумя фазами у, подвижность носителей заряда на границе раздела Ъ. Напряженность электрического поля в объеме слоя и приэлектродном слое соответственно Е,и Е2.
Подстановка (4.25 - 4.29) в (4.4 - 4.24) позволяет получит однородную систему шести линейных уравнений относительно шести неизвестных констант Aj, Bj, Dj. Равенство нулю определителя, составленного из коэффициентов при неизвестных Aj, Bj, Dj является необходимым и достаточным условием существования нетривиальных решений системы уравнений. Это условие дает дисперсионное соотношение для спектра волновых движений границы раздела жидкостей в анализируемой системе.
Зависимость действительной части комплексной безразмерной частоты s от безразмерного волнового числа к при различном постоянном напряжении на электродах ячейки: 1 - Un= 4 В, 2 - Un 6 В, 3 — Un=7B,4-Un=llB При меньшем Un решение дисперсионного соотношения с положительной действительной частью комплексной частоты не наблюдается. При постоянном напряжении на ячейке более 11 В действительная часть решения дисперсионного соотношения становится монотонно возрастающей (рисунок 4.2, кривая 4).
Под действием этой силы происходит перераспределение частиц твердой фазы, которое выражается в виде ячеистой структуры, наблюдаемой в проходящем свете. Оценка силы (4.36) затруднена, так как требуется определить распередение заряда на возмущенной поверхности, что само по себе, является достаточно сложной задачей, требующей применения численных методов исследования. Образование динамических структур при возникновении электрогидродинамических течений рассмотрим согласно с теоретическими разработками [5], примененными для описания образования структур из проводящих частиц в слабопроводящей жидкости [3]. Плотность частиц, находящихся в структурных образованиях, обозначим как рр. Остальные частицы в слое будем рассматривать как газ и обозначим плотность частиц в газе pg. Представим процесс образования динамической структуры как переход газа в структуры. Следствием такого перехода является возникновение областей с повышенной концентрацией дисперсной фазы в слое магнитодиэлектрического коллоида.
Будем описывать формирование и трансформацию структурных образований величиной плотности структур и газа. Представим плотность структур функцией pp(r, f), газа - pg(r, f), где г ={х,у) - это горизонтальные координаты, t - время. Усредним все параметры по вертикальной координате z. Так как общее количество частиц N=\(pp+pg)dxdy остается неизменным, то динамику структурных образований запишем в виде [5].
В результате экспериментальных наблюдений установлено, что вертикальное движение жидкости между электродами при образовании лабиринтной структуры не создает значительного горизонтальное вращения. В свою очередь, вращение в горизонтальной плоскости (параллельной плоскости электродов) значительно при возникновении движущейся струтуры при Un 18 В и отсутствии переменного напряжения на электродах ячейки.
В состоянии равновесия / определяется отношением между плотностями р Iрр -»м- В свою очередь р. зависит от поля и локального распределения заряда. Для упрощения считаем р = const. Однако конвективные течения будут влиять на плотность объемного заряда, которая в свою очередь повлияют на равновесие между газом и структурами. Этот эффект может быть смоделирован зависимостью // отГ. Можно использовать следующее выражение [5]: // = //0()(tanh(//1sign(JE)F) + l), где juQ(E) и цх— постоянные, sign() - функция, принимающая значения минус единицы при Е 0, значения единицы при Е 0 и функция равна нулю при Е = 0.
