Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1. Общие сведения о магнитных жидкостях 11
1.2. Поведение капли магнитной жидкости в магнитном и 24
электрическом ПОЛЯХ
-
Магниточувствительные эмульсии и их получение 33
-
Магнитные аэрозоли 36 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 41
ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Объект исследования 41
-
Методика и техника исследования движения капли магнитной 44 жидкости в магнитном поле в жидкой среде
-
Методика и техника исследования особенностей движения капли 48 магнитной жидкости при совместном воздействии электрического
и магнитного полей
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ КАПЛИ МАГНИТНОЙ 56
ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
3.1. Движение капли магнитной жидкости в однородном постоянном 58
магнитном поле
3.2. Особенности движения капли магнитной жидкости в 68
неоднородном постоянном магнитном поле
3.3. Особенности движения капли магнитной жидкости в однородном 71
переменном магнитном поле
3.4. Совместное движение двух одинаковых капель магнитной 82
жидкости в однородном постоянном магнитном поле
3.5. Совместное движение двух одинаковых капель магнитной 90 жидкости в однородном переменном магнитном поле
98 ГЛАВА 4. ДВИЖЕНИЕ КАПЛИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ
4.1. Движение заряженной капли магнитной жидкости в газовой среде 98
при одновременном действии однородного электрического и неоднородного магнитного полей
4.2. Движение незаряженной капли магнитной жидкости при 101
одновременном действии неоднородных электрического и
магнитного полей
4.3. Движение незаряженной капли магнитной жидкости в жидкой 113
среде при одновременном действии однородных электрического
и магнитного полей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123
Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков, получившие название магнитные жидкости (МЖ), и синтезированные на их основе разнообразные среды до настоящего времени остаются объектом, привлекающим повышенный интерес со стороны ученых физиков, как теоретиков так и экспериментаторов, это привело к тому, что наука о магнитных жидкостях выделилась в самостоятельную область. Объяснить это можно как возможностью практического применения магнитных жидкостей в машиностроении, приборостроении и медицине, так и возникновением целого ряда фундаментальных проблем физического, физико-химического и гидродинамического характера. При этом, ряд научных и прикладных проблем физики магнитных коллоидов связан с исследованиями движения равновесных форм ограниченных объемов (макро- и микрокапель) в пространстве электрических и магнитных полей. В связи с созданием магниточувствительных эмульсий и аэрозолей (в этих средах в роли дисперсной среды выступают капли магнитной жидкости, способные взаимодействовать с силовыми полями) становятся актуальными исследования движения капли магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном полях. Учитывая реальные условия, необходимо рассматривать движение не только отдельно взятой капли, но и ансамбля капель, поэтому особый интерес представляют исследования совместного движения одинаковых капель магнитной жидкости при условии их гидродинамического и магнитного взаимодействий. Кроме того, в настоящее время актуальными являются и исследования движения капель магнитной жидкости при одновременном воздействии электрического и магнитного полей, результаты которых позволят установить возможность как более эффективного управления движением таких объектов, так и определения электрофизических и магнитных свойств капли магнитной жидкости на основе анализа особенностей такого движения. Результаты исследования в этом направлении представляют не только чисто научный интерес, но и могут иметь практическую значимость.
Целью настоящей диссертационной работы является изучение особенностей движения капель магнитной жидкости, обусловленных их взаимодействием с магнитным и электрическим полями. При этом, для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Установить особенности движения капли магнитной жидкости в жидкой среде (воде), обусловленные деформацией капли под воздействием постоянного и переменного магнитных полей, при их различных направлениях по отношению к первоначальной траектории движения капли.
Изучить совместное движение двух капель магнитной жидкости в магнитном поле, направленном вдоль первоначальной траектории движения и перпендикулярно ей. Выяснить характер изменения траекторий движения капель, обусловленного их магнитным взаимодействием.
Установить особенности движения заряженной капли в газовой среде при одновременном действии однородного электрического и неоднородного магнитного поля. Выяснить возможность разработки новых методов определения заряда капли на основе результатов таких исследований.
Исследовать движение незаряженной капли магнитной жидкости в газовой среде при одновременном действии неоднородных электрического и магнитного полей. Выяснить условия возможности взаимной компенсации их действия.
Изучить особенности движения капли магнитной жидкости в жидкой среде при совместно действующих электрическом и магнитном полях при условии возникновения деформации капель.
Научная новизна диссертации заключается в следующем: Выяснены особенности изменения скорости движения, а также траектории движения капли магнитной жидкости в зависимости от направления и величины напряженности постоянного и переменного магнитных полей, обусловленные возникающей при воздействии полей деформацией капли.
Получены новые результаты при исследовании совместного движения двух одинаковых капель магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном полях. Выяснены особенности изменения траекторий совместно движущихся капель (обусловленные их магнитным взаимодействием) в зависимости от направления и величины напряженности постоянного и переменного магнитных полей, в частности, показано, что при определенных условиях траектории движения капель приобретают извилистый вид.
Установлены особенности движения как заряженной, так и незаряженной капли магнитной жидкости в совместно действующих магнитном и электрическом полях. Впервые показана возможность компенсации результата действия одного поля с помощью воздействия другого, при этом эффект может быть обусловлен как равенством объемных электрической и магнитной сил, возникающих вследствие неоднородности полей, так и компенсацией деформации капли при одновременном воздействии двух однородных полей. На основе полученных результатов предложена новая методика определения магнитных свойств магнитной жидкости при известных ее диэлектрических параметрах. Кроме того, показана возможность определения заряда капель магнитной жидкости по результатам исследования их движения в однородном электрическом и неоднородном магнитном полях.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования движения капель магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном и электрическом полях позволили предложить новые методы определения заряда капель и их магнитных параметров.
Установленные закономерности движения капель магнитной жидкости, как в магнитном поле, так и при совместно действующих магнитном и электрическом полях могут быть использованы для прогнозирования поведения магниточувствительных аэрозолей во внешних магнитном и электрическом полях, что имеет практическое значение, связанное с разработкой их использования в технике и медицине.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Важным подтверждением достоверности является строгая математическая обоснованность всех экспериментальных результатов. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских научных конференциях.
Автор защищает: экспериментально обнаруженные особенности изменения скорости и характера траектории движения капли магнитной жидкости и их теоретическое обоснование при движении капли в постоянном и переменном магнитном полях при различном направлении и величине напряженности магнитного поля; экспериментально установленные особенности изменения траектории при совместном движении двух одинаковых капель магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном полях при различном направлении и величине напряженности магнитного поля, а также их теоретическое обоснование; обнаруженные особенности движения заряженной и незаряженной капли магнитной жидкости при одновременном действии электрического и магнитного полей в жидкой и газовой средах и их теоретическое обоснование.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на:
10-й и 11-й Международных Плесских конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 2002 и 2006);
11-й и 12-й Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005; Новосибирск, 2006);
IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006); XIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2006» (Москва, 2006);
Международной научной конференции «Современные методы физико-математических наук» (Орел, 2006); научно-методических конференциях преподавателей и студентов СГУ «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2003,2004,2005, 2006).
Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 научных работах автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 139 наименований. Материал диссертации содержит 137 страниц, 30 рисунков и 2 таблицы.
Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященный исследованию поведения капли магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях. Обращено внимание на работы, в которых исследуется деформация капель магнитной жидкости под действием электрического и магнитного полей. Рассмотрены работы посвященные исследованию поведения таких многофазных систем, как эмульсии магнитных жидкостей и магниточувствительные аэрозоли. Глава закончена анализом проведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертации.
Во второй главе описан объект исследования (капли МЖ диаметром от S-IO^M до Ы(Г3м, движущиеся в жидких и газообразной средах), проведен анализ физических свойств использованных для получения капель магнитных жидкостей. Описаны методы и установки для изучения особенностей движения капель магнитной жидкости при воздействии на них постоянного и переменного магнитного полей, а также для исследования совместного движения двух одинаковых капель магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном полях. Кроме того, приведены схемы экспериментальных установок для исследования движения капель магнитной жидкости при одновременном действии электрического и магнитного полей. При описании экспериментальных методов исследования дана оценка погрешностей измерений.
В третьей главе приведены результаты исследования движения капли магнитной жидкости в магнитном поле. Было исследовано движение капли магнитной жидкости в жидкой среде (воде) в постоянном и переменном магнитном полях, в случаях, когда направление движения совпадает, перпендикулярно и составляет некоторый острый угол с направлением напряженности магнитного поля. Также проведено исследование совместного движения двух одинаковых капель магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном полях при различной величине и направлении напряженности магнитного поля. Проведен теоретический анализ полученных явлений.
Четвертая глава посвящена изучению особенностей движения капли магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях. Приведены результаты экспериментальных исследований, движения заряженной и незаряженной капли магнитной жидкости в однородном и неоднородном электрическом поле, при одновременном действии неоднородных электрического и магнитного поля в газовой и жидкой средах.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Личный вклад соискателя.
Лично автором проведены все экспериментальные исследования и обработка результатов измерений и все, представленные в диссертационной работе расчеты. Лично автором (или при участии соавторов) проведено сравнение полученных им результатов исследования с результатами теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
