Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы.
1.1. Общие сведения о магнитных жидкостях .11
1.2. Развитие исследований магнитных свойств магнитных жидкостей 13
1.3 Взаимодействие частиц и процессы структурирования в магнитных жидкостях 23
1.4 Влияние процессов структурообразования на магнитные свойства магнитных жидкостей 36
ГЛАВА 2. Объект и методы экспериментальных исследований.
2.1. Объект исследования 48
2.2. Методика и экспериментальные установки для исследования намагниченности магнитных жидкостей 52
2.3. Методика и техника исследования магнитной восприимчивости магнитных жидкостей 60
2.4. Методика исследования структуры магнитной жидкости 73
ГЛАВА 3. Эффекты взаимодействия структурированных , магнитных жидкостей на основе керосина с электрическим и магнитным полями .
3.1. Исследование особенностей возникновения агрегатов различных видов в магнитной жидкости на основе керосине 79
3.2. Особенности намагничивания МЖ с микрокапельными агрегатами, обусловленные воздействием электрического поля 92
3.3. Процессы деформации микрокапельных агрегатов в переменном ' магнитном поле и их влияние на магнитную восприимчивость магнитной жидкости 104
ГЛАВА 4. Особенности магнитных свойств магнитных жидкостей на вязких основах в электрическом и магнитном полях .
4.1. Эффекты структурообразования и их влияние на магнитную восприимчивость высоковязких магнитных жидкостей 121
4.2. Магнитная восприимчивость магнитной жидкости на вязкой основе в электрическом и магнитном полях 132
4.3. Магнитная восприимчивость магнитной жидкости при наличии в ней сдвигового течения 139
Заключение 15,4
Список литературы
- Развитие исследований магнитных свойств магнитных жидкостей
- Методика и экспериментальные установки для исследования намагниченности магнитных жидкостей
- Особенности намагничивания МЖ с микрокапельными агрегатами, обусловленные воздействием электрического поля
- Магнитная восприимчивость магнитной жидкости на вязкой основе в электрическом и магнитном полях
Введение к работе
V Актуальность проблемы. Магнитные жидкости (МЖ), являющиеся
коллоидами ферри- и ферромагнетиков, до настоящего времени привлекают
достаточно большое внимание как отечественных, так и зарубежных ученых.
Это связано с тем, что такие намагничивающиеся среды обладают целым
рядом интересных свойств, проявляющихся при взаимодействии МЖ с
электрическим и магнитным полями. Благодаря этому, появилась
возможность их применения в машиностроении, технике и медицине. і
Взаимодействие высокодисперсных магнитных частиц и происходящие в результате этого (а также при взаимодействии с внешними полями) структурные превращения во многом определяют физические свойства магнитных жидкостей. Некоторые свойства МЖ (электрофизические, реологические, оптические и др.) в настоящее время являются достаточно хорошо изученными. Вместе с тем, исследование особенностей магнитных свойств, обусловленных взаимодействием магнитных жидкостей с электрическим и магнитным полями (а также при их совместном действии) и связанной с этим взаимодействием структурной организацией коллоидных частиц, требует дальнейшего развития. В подавляющем большинстве работ, посвященных изучению магнитных свойств, исследовались МЖ на основе керосина. Однако, применение в технике получили магнитные жидкости на вязких основах (минеральных маслах, кремнийорганических средах и др.). Влияние их структурного состояния, обусловленного действием внешних полей (электрического и магнитного), на магнитные свойства может значительно изменяться при дополнительном действии сдвиговых деформаций и течений. Это необходимо учитывать при проектировании и прогнозировании работоспособности технических устройств. Однако эти вопросы до сих пор остаются практически неисследованными.
Вышеизложенное позволяет заключить, что в настоящее врещ актуальными являются исследования особенностей магнитных свойств
}5
магнитных жидкостей, вызванных процессами структурной организации дисперсных частиц в МЖ при воздействии на них электрического и магнитного полей, а также изменениями структуры при воздействии сдвиговых напряжений или сил инерции при вращении. При этом практический интерес представляет исследование влияния структурной организации коллоидных частиц на магнитные свойства МЖ на вязких основах, использующихся в технике.
Целью настоящей работы является изучение особенностей магнитных свойств магнитных жидкостей на различных основах, обусловленных структурной организацией коллоидных частиц, при взаимодействии с магнитным и электрическим полями.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
изучение процессов структурообразования в магнитных жидкостям, обусловленных введением полимерных добавок (избытка поверхностно-активного вещества (ПАВ), минерального масла), и влияния образующихся структур на магнитные свойства магнитных жидкостей;
исследование магнитной восприимчивости магнитной жидкости с хорошо развитой микрокапельной структурой, подверженной действию электрического поля;
- изучение особенностей магнитной восприимчивости магнитной
жидкости с микрокапельными агрегатами в поле центробежных сил инерции
без и при дополнительном воздействии постоянного магнитного ПОЛЯ,
проведение анализа причин и механизмов наблюдающихся зависимостей;
- исследование процессов структурообразования в магнитных жидкостях
на основе минеральных масел и кремнийорганических сред в электрическом
и магнитном полях, установление влияния возникающей структурной
организации в системе однодоменных дисперсных частиц на
функциональные зависимости магнитной восприимчивости;
- изучение магнитной восприимчивости магнитной жидкости, подверженной действию сдвигового течения и магнитного поля, проведение анализа причин возможного ее изменения.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Выяснено, что введение в магнитные жидкости на основе керосина в качестве коагулянта минерального масла, как правило, приводит при некотором пороговом значении его объемного содержания к возникновению микрокапельных агрегатов, в отличие от избытка олеиновой кислоты, приводящего к возникновению квазитвердых агрегатов, в некоторых случаях имеющих отличный от нуля магнитный момент. Установлено, что возникновение в последнем случае намагниченных квазитвердых агрегатов происходит в магнитных жидкостях с достаточно большим значением среднего размера дисперсных частиц.
Впервые обнаружены особенности магнитной восприимчивости вращающейся магнитной жидкости с микрокапельными агрегатами, вызванные деформацией микрокапельных "агрегатов под действием измерительного поля с последующей их переориентацией при вращение Установлено, что деформация агрегатов начинается при пороговом значении напряженности переменного магнитного поля, существенно меньшем, чем в случае действия постоянного поля, кроме того, оно зависит от частоты поля.
Показана возможность управления величиной магнитной
восприимчивости магнитной жидкости с микрокапельной структурой путем
одновременного деформационного воздействия переменного электрического
и постоянного магнитного полей на микрокапельные агрегаты. '
Обнаружена немонотонная зависимость времени релаксации намагниченности магнитных жидкостей на вязких основах от напряженности магнитного поля, предположительно обусловленная возникновением под действием магнитного поля цепочечных агрегатов.
Впервые показана возможность образования в магнитных жидкостях на вязких основах структурных решеток лабиринтного типа при воздействии на
них постоянного электрического поля. Обнаружена зависимость магнитной
> восприимчивости таких МЖ от воздействия электрического поля,
обусловленная происходящими в этом случае процессами структурной
переорганизации.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Основные результаты и выводы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования особенностей магнитных свойств магнитных коллоидов на различных основах, обусловленные процессами структурной организации дисперсных частиц при воздействии электрических, магнитных полей и сдвиговых течений, а также центробежных сил инерции внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем жидких намагничивающихся сред.
Результаты исследования эффектов структурообразования в магнитных жидкостях на вязких основах, получивших применение в технике, и их влияния на магнитные свойства этих сред могут служить основой как при прогнозировании работоспособности уже известных, так и при проектировании новых технических устройств на основе жидких намагничивающихся сред.
Автор защищает:
вывод, сделанный на основе результатов исследования магнитной восприимчивости магнитной жидкости с хорошо развитой микрокапельной структурой, о возможности управления ее магнитными параметрами путем совместного, деформационного воздействия на микрокапельные агрегаты переменного электрического и постоянного магнитного полей; t
обнаруженное изменение магнитной восприимчивости магнитной жидкости с микрокапельными агрегатами в поле центробежных сил инерции
без и при дополнительном воздействии постоянного магнитного поля, анализ причин наблюдающихся зависимостей магнитной восприимчивости такой среды от частоты вращения;
- установленные особенности деформации микрокапельных агрегатов в
переменном и постоянном магнитных полях, а именно: пороговое значение
напряженности переменного магнитного поля, соответствующее началу
деформирования, имеет существенно меньшее значение, чем в случае
действия постоянного поля и зависит от частоты поля;
- обнаруженную зависимость времени релаксации намагниченности
магнитных жидкостей на вязких основах от напряженности магнитного поля,
и вывод об обусловленности ее характера возникновением под действием
магнитного поля цепочечных агрегатов;
- экспериментальные результаты исследования зависимости магнитной
восприимчивости магнитных жидкостей на вязких основах, применяющихся
в технике, от воздействия электрических полей и их обоснование на основе
учета обнаруженных процессов образования структурных решеток в
приэлектродном пространстве;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 187 наименований. Материал диссертации содержит 175 страниц, 49 рисунков.
Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор существующих экспериментальных и теоретических работ, посвященных физике магнитных жидкостей. Проведен анализ работ, в которых изучаются магнитные свойства магнитных жидкостей. Рассмотрены работы, в которых исследуется образование агрегатов в магнитных коллоидах, а также поведение этих агрегатов во внешних электрическом и магнитном полях. Обращено внимание на работы, в которых исследуются магнитные свойства магнитных жидкостей,
обусловленные процессами структурообразования под действием внешних электрического и магнитного полей, и показано влияние изменения структурного состояния на функциональные зависимости магнитных характеристик магнитных коллоидов. Глава закончена анализом приведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертационной работе.
Во второй главе описаны объекты исследования, методы и установки для исследования магнитных свойств магнитных жидкостей при воздействии на них постоянного и переменного электрического и магнитного полей, а также сдвигового течения и сил инерции (при вращении). Описаны методы и установки для исследования структуры и оптических свойств магнитных коллоидов. Также приведено описание установок и методик для контроля параметров исследуемых образцов - плотности, объемной концентрации и учета конечности формы исследуемых образцов вследствие размагничивания.
В третьей главе приведены результаты исследования процессов агрегирования в магнитной жидкости на основе керосина, обусловленные избыточным содержанием полимерных добавок (минерального масла, поверхностно-активного вещества). Исследована зависимость магнитной восприимчивости магнитной жидкости с микрокапельными агрегатами от воздействия переменного электрического поля, обусловленная зависящими от частоты поля процессами деформации агрегатов. Обнаружено, что вращение магнитной жидкости с микрокапельными агрегатами приводит к особенностям ее намагничивания, обусловленных деформацией агрегатов под воздействием измерительного поля с последующей их переориентацией при вращении. Установлено, что пороговое значение напряженности переменного магнитного поля, соответствующее началу деформирования, имеет существенно меньшее значение, чем в случае действия постоянного поля и зависит от частоты поля.
Четвертая глава посвящена исследованию магнитных свойств магнитных жидкостей на вязких основах. При исследовании частотных зависимостей комплексной магнитной восприимчивости таких сред была обнаружена немонотонная зависимость времени релаксации от напряженности внешнего постоянного магнитного поля. Обнаружена зависимость эффективной восприимчивости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением при некотором критическом значении напряженности электрического поля структурных решеток лабиринтного типа и их последующей трансформацией в магнитном поле. Исследована магнитная восприимчивость магнитной жидкости на вязкой основе в сдвиговом течении при дополнительном воздействии постоянного магнитного поля. Показано, что обнаруженная зависимость восприимчивости от скорости сдвига связана с возникновением агрегатов и их последующим разрушением в сдвиговом потоке.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Личный вклад соискателя.
Автором лично проведены все экспериментальные исследования и обработка результатов измерений и все представленные в диссертационной работе расчеты. Лично автором проведено сравнение полученных им результатов исследования с результатами теоретических расчетов,
*
проведенных при участии автора. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Развитие исследований магнитных свойств магнитных жидкостей
На начальном этапе исследования магнитных жидкостей было сформировано представление о них как однородной жидкой намагничивающейся среде с термодинамически равновесной поляризацией.
Возможность представления магнитной жидкости в виде однородного дипольного газа, в котором элементарным носителем магнитного момента является дисперсная частица, позволяет применить для описания намагничивания такой системы закон Ланжевена [8], выведенный им для ансамбля молекул парамагнитного газа. В этом случае выражение для намагниченности магнитной жидкости М в магнитном поле Н может быть представлено в виде: где Ms - намагниченность насыщения исходного диспергированного вещества, (р - объемная концентрация твердой фазы, М«, - намагниченность насыщения магнитной жидкости, т - магнитный момент дисперсией частицы.
В области слабых полей функция Ланжевена может быть представлена первым членом разложения в ряд Тейлора !()= — ( «с 1). В этом случае выражение для начальной магнитной восприимчивости % = МІН имеет вид: цапт2 ЗкТ Предполагая, что форма частиц близка к сферической, с учетом m = M$V (V- объем частицы) получим для магнитной восприимчивости выражение: я- fi0MaMsdl Х 18 кТ где Маа = пт- намагниченность насыщения коллоида, d- диаметр частиц, п число частиц в единице объема.
В области сильных полей ( » 1) функцию Ланжевена МОЖРО представить в виде Щ) = 1 - 1/и тогда уравнение (1.1) принимает вид: д/ ы 6MJT л/л0М8Ш На основе ланжевеновской зависимости намагниченности от поля возник метод магнитной гранулометрии [9]. С помощью этого метода возможно определение диаметра частиц do частицы по измерениям магнитной восприимчивости в слабых полях и по измерениям намагниченности насыщения d в области сильных полей. Соответствующие расчеты проводятся по формулам: 4-. ШТХ ; .-№ -. (1.2) где К = ЧИ в области линейной зависимости М(\/Н).
Первые экспериментальные работы показали хорошее согласие кривых намагничивания с функцией Ланжевена [2, 10]. Некоторое расхождение хорошо устраняется учетом распределения частиц по размерам. Использование формулы Гаусса в качестве функции распределения дало возможность представить зависимость намагниченности от поля в виде [10]: здесь п - полное число частиц в объеме, п(а) - число частиц, диаметр которых d а.
В дальнейшем магнитные свойства магнитных жидкостей изучались в работах [11 - 15]. В работе [11] приведено наиболее логичное объяснение различия между значениями объемной концентрации, вычисленными независимо по плотности и по намагниченности насыщения МЖ. Оно связано с тем, что молекулы олеиновой кислоты могут, вступая в химическую реакцию с магнетитом, образовывать олеат железа, который является немагнитным соединением. Вследствие этого происходит уменьшение диаметра магнитного керна на некоторую величину, которая, по мнению авторов, равна постоянной решетки кристаллического магнетита. В этом случае для намагниченности можно записать і где ПІ - число частиц диаметром dt. В работе [12] указывается на согласие экспериментальных данных с рассчитанными по этой формуле.
В проводившихся магнитогранулометрических расчетах [11, 12, 16] было обнаружено, что значение диаметра частицы, найденное по магнитным измерениям в слабых полях, всегда превышает значение, найденное по измерениям в сильных полях. Обычно это объясняется тем, что в слабых полях в намагниченность магнитной жидкости основной вклад вносят крупные частицы, а в сильных полях (в области насыщения) поведение намагниченности определяется ориентацией более мелких частиц, до этого находившихся в интенсивном броуновском движении. Однако более детальный анализ данного метода вызывает сомнения в правомерности подобных объяснений.
Для описания имеющихся экспериментальных результатов в облает л физических свойств магнитных жидкостей в теоретических работах [17, 18] были выведены уравнения, описывающие движение дисперсной намагничивающейся среды, при использовании методов термодинамики необратимых процессов.
В некоторых работах [19-22] магнитная жидкость рассматривалась как однородная жидкость с внутренними моментами вращения и предполагалась жесткая связь магнитного момента частицы и ее твердой матрицы. В этом случае в гидродинамические уравнения входят гд - броуновское время ориентационной релаксации частицы и г - время затухания собственного вращения частицы, которые зависят от размера частиц с сольватной оболочкой. Экспериментальное определение времени ориентационной релаксации осуществлялось в работах [23 - 25].
Методика и экспериментальные установки для исследования намагниченности магнитных жидкостей
Кроме структурно однородных образцов были исследованы также магнитные жидкости с хорошо развитой микрокапельной структурой, т.е. при наличии в них микрокапельных агрегатов. Такие образцы приготавливались искусственно, по методике использовавшейся ранее в [71], путем смешивания исходного, однородного образца магнитной жидкости со специально подобранным коагулятором - минеральным маслом. Смесь подогревалась до температуры 315 - 320 К и перемешивалась в течение 15 -20 минут с помощью электромеханической мешалки. В результате этого была получена магнитная жидкость, содержащая множество мелких (2-7 мкм) капельных агрегатов, имеющих более высокое объемное содержание магнетита, чем омывающая их среда. Такая магнитная жидкость может быть идентифицирована как магнитная эмульсия, уникальность которой состоит в том, что и эмульгированные капли и омывающая их среда одинаковы г о природе, но отличаются плотностью.
По-видимому, образование микрокапельных агрегатов характерно лишь для магнитных коллоидов, в механизме которого существенную роль играет магнитодипольное взаимодействие дисперсных частиц. Вследствие того, что вещество микрокапельных агрегатов и омывающая их среда имеют разную плотность, они отличаются также величиной других физических параметров, некоторые из которых представилось необходимым измерить. С этой целью часть объема полученной МЖ оставлялась для основных исследований, другая часть заливалась в стеклянную трубку диаметром 0,6 см и высотой 80 см и выдерживалась в течение месяца при вертикальном положении трубки с целью осаждения микрокапельных агрегатов. Наблюдение седиментационного распределения проводилось измерением индуктивности небольшой катушки (высотой 1 см) и послужило основанием для разделения фаз. Наблюдения в оптический микроскоп показали, что осажденная фа а магнитной жидкости представляет собой плотную упаковку капельных агрегатов, близкую к сплошной среде. В слабоконцентрированной фазе агрегаты при комнатной температуре обнаружены не были, однако, они появлялись при ее понижении до 278 - 273 К. После разделения фаз проводилось определение концентрации и магнитной восприимчивости полученных фаз. При этом параметры сильноконцентрированной фазы считались такими же, как и у вещества капель; слабоконцентрированной фазы - как у омывающей капли среды.
Для измерения намагниченности магнитных жидкостей в полях напряженностью от 10 до 900 кА/м, а также определения намагниченности насыщения, одной из основных характеристик МЖ, использовался вибрационный магнетометр фонеровского типа, аналогичный описанному в [163].
Вибрационный метод определения намагниченности является относительным, поэтому для определения истинного значения намагниченности МЖ был использован эталонный образец никеля с известным магнитным моментом. В случае колебания исследуемого образца в магнитном поле, в измерительных катушках магнетометра возникает э.д.с, пропорциональная магнитному моменту образца. Образец МЖ в магнитном поле, рассматриваемый как "магнитный диполь", образует поле: (2 А) где т - магнитный момент диполя, R - радиус-вектор точки поля, отсчитанный от его середины, R = \R\. Э.д.с. электромагнитной индукции в измерительных катушках имеет вид: где В - суперпозиция намагничивающего поля Во и Bd. Учитывая это, для е,-можно получить: е, = Km, где К - величина, зависящая только от конфигурации диполя и параметров измерительных катушек {Во не вносит вклада в є,). Последнее выражение справедливо как для эталона, так и для исследуемого образца, так что: откуда для намагниченности МЖ имеем: где V06p - объем магнитной жидкости в измерительном контейнере.
Схематическое устройство и принципиальная схема использованного вибрационного магнетометра приведены на рис. 2.3. Цилиндрический контейнер (d = 0,5; I = 1,5 см) 1 с исследуемой магнитной жидкостью укреплен на тонком стержне из немагнитного материала, который соединен.с вибрационной системой и может колебаться с заданной частотой, перпендикулярно направлению магнитного поля, создаваемому электромагнитом 3. Контейнер с МЖ располагается между четырьмя одинаковыми измерительными катушками 2, которые неподвижно закреплены на полюсах электромагнита типа ФЛ-1. Катушки намотаны медным проводом диаметром d = 0,06 мм, содержат 7103 витков и соединены попарно навстречу друг другу.
Особенности намагничивания МЖ с микрокапельными агрегатами, обусловленные воздействием электрического поля
Как видно из таблицы, агрегаты с отличным от нуля магнитным моментом действительно возникают в образцах МЖ, в которых dcp имеет более высокое значение. Исключение составляют образцы № 5 и № 6, в которых при добавлении олеиновой кислоты происходило образовать немагнитных агрегатов. По-видимому, это связано с тем, что образцы № 5 и № 6, в отличие от № 1 - № 4, не являются макроскопически однородными (в этих МЖ присутствуют структурные образования микронных размеров независимо от дополнительного добавления свободного ПАВ). Образцы РА-3, РА-5 и Ри-1, где средний диаметр частиц меньше, оказались достаточно хорошо устойчивыми относительно разбавления их несвязанным ПАВ. Расслоение этих образцов происходило только при достаточно большой концентрации олеиновой кислоты (около 30 об. %).
Таким образом, полученные результаты исследований позволяют утверждать, что для объяснения происходящих в магнитных коллоидах процессов структурирования необходимо учитывать поверхностные свойства дисперсных частиц, особенности строения защитных оболочек, наличие примесей и образований в дисперсионной среде и другие коллоидные свойства таких сред. Вероятно, именно эти факторы и обуславливают наблюдающееся возникновение как микрокапельных, так и квазитвердых агрегатов. При этом, по-видимому, характер образовавшихся агрегатов определяется соотношением сил, ответственных за притяжение частиц; в случае, когда вклад магнитодипольных сил в этот процесс существенен, происходит корреляция жестко связанных с частицами магнитных моментов при их сближении. Это обстоятельство и может приводить к появление агрегатов с отличным от нуля магнитным моментом.
Ранее, неоднократно, как экспериментально [124, 172], так теоретически [79, 173] изучалась деформация капель магнитной жидкости при воздействии магнитных и электрических полей. Действие электрического поля, вследствие деформации микрокапельных агрегатов, должно приводить к возникновению структурной анизотропии, и как следствие, к анизотропии магнитных свойств МЖ с микрокапельной структурой. С целью выяснения такой возможности были предприняты исследования магнитной восприимчивости магнитной жидкости с микрокапельной структурой при воздействии на нее электрического поля. Так как, проведение экспериментов в постоянных электрических полях сопряжено с определенными трудностями из-за электрофоретической миграции капель и поляризации электродов, то исследования были проведены в переменном магнитном поле, с помощью установки, описанной в п. 2.3.
Оказалось, что действие электрического поля, направленного перпендикулярно измерительному магнитному полю приводит к изменению магнитной восприимчивости исследованной магнитной жидкости с микрокапельной структурой. При этом, зависимость восприимчивости от величины напряженности переменного электрического поля имеет различный характер при частотах электрического поля больших и меньших некоторой критической частоты, близкой к 3 кГц (рис. 3.7). При частотах ниже 3 кГц восприимчивость увеличивается с ростом напряженности электрического поля (рис. 3.7, кривые 1 и 2). При этом на частотах меньших 1 кГц (рис. 3.7, кривая 1) зависимость %(Е) имеет максимум. Когда частота электрического поля больше 3 кГц эффективная восприимчивость убывает (рис. 3.7, кривые 3 - 5). Отметим, что для макроскопически однородного от напряженности переменного электрического поля при различных его частотах: 1 -/= ЮОГц, 2 -/= 1кГц, 3 -/= 5кГц, 4 -/= ЮкГц, 5 -/= 20кГц. образца магнитной жидкости, из которого была получена исследуемая жидкость с микрокапельными агрегатами, зависимости магнитной восприимчивости от воздействия электрического поля не обнаруживается. Это указывает на то, что причиной обнаруженного изменения магнитной восприимчивости являются процессы деформации микрокапельнцх агрегатов, содержащихся в исследованном образце. В работах [78, 108, 174] было показано, что действие переменного электрического поля приводит к деформации микрокапельных агрегатов, при этом, в области частот ниже некоторого критического значения частоты капли сплющиваются вдоль направления поля, а при частотах превышающих это значение -вытягиваются вдоль силовых линий поля.
Наблюдающиеся особенности деформации капель в электрическом поге связаны с возникновением движения жидкости, которое определяет их форму [108]. Оно возникает вследствие действия касательных электрических напряжений на межфазных границах, где накапливаются свободные заряды. В работе [108] исследовались капли гомогенных жидкостей, и было показано, что полный заряд поверхности капли равен нулю, а его поверхностная плотность уменьшается с увеличением частоты, если все остальные параметры фиксированы. При этом, в случае когда Rq 1, половина капли обращенная к положительному электроду заряжается положительно, а обращенная к отрицательному - отрицательно. При Rq 1 имеет место обратная картина (R и q - отношения удельных сопротивлений и диэлектрических проницаемостей капли и окружающей среды соответственно). В первом случае образуются течения, направленные от полюсов капли к экватору, в результате чего происходит сплющивание капл(ч вдоль поля. Во втором случае возникают течения, направленные от экватора капли к полюсам, при этом капля вытягивается по полю. При Rq = 1 течения отсутствуют.
Магнитная восприимчивость магнитной жидкости на вязкой основе в электрическом и магнитном полях
Сильные магнитные свойства микрокапель позволяют использовать дополнительное воздействие постоянного магнитного поля для изучения закономерностей их поведения (деформации) в электрических полях.
В случае низких частот электрического поля, когда капли сплющиваются, действие сонаправленного с электрическим магнитного поля может приводить к восстановлению их сферической формы.
Исследование этого условия компенсации деформаций было осуществлено путем измерения магнитной восприимчивости. В этом случае, использовавшаяся ранее ячейка для измерения восприимчивости з электрическом поле, дополнялась намагничивающей системой, позволяющей создавать регулируемое постоянное магнитное поле, сонаправленное с электрическим. В качестве намагничивающей системы использовалась кубическая пятисекционная катушка, обеспечивающая высокую однородность поля во всем объеме исследуемого образца. Измерения осуществлялись следующим образом. На электроды ячейки подавалось напряжение, измеряемое цифровым вольтметром. В этом случае капли, находившиеся в объеме исследуемого образца, деформировались (сплющивались) таким образом, что их большая полуось была перпендикулярна направлению электрического поля. При этом магнитная восприимчивость увеличивалась. Затем, медленно подавая постоянное магнитное поле, сонаправленное с электрическим, каплям возвращали исходную форму, что приводило к уменьшению до первоначального значения магнитной восприимчивости. Далее повышали электрическое поле и снова компенсировали вызванное им увеличение восприимчивости соответствующим повышением магнитного поля. Исследования проводились до значений электрического поля, при которых начинались электрогидродинамические течения, разрушающие капли. Отметим, что напряженность компенсирующего магнитного поля не превышала 750 А/м, т.е не выходила из области напряженностей поля, соответствующих линейной зависимости магнитной восприимчивости однородной магнитной жидкости от напряженности поля.
На рис. 3.11 приведены компенсационные графики (кривые 1 - 3) в координатах Н2 - Е2, которые показывают процесс восстановления сферической формы капли, полученные при различных частотах электрического поля. Следует заметить, что эти экспериментальные данные по компенсации, полученные с помощью измерений магнитной восприимчивости, согласуются с полученными ранее по оптическим измерениям [78].
Условия возникающей при воздействии магнитного и электрического полей анизотропии магнитных свойств магнитной жидкости (при теоретическом описании компенсации деформации содержащихся в ней микрокапельных агрегатов) ранее использовались А.О. Цеберсом [78]. Вывод условия компенсации деформации капли был осуществлен на основе следующих соображений. При совместном действии слабых электрического и магнитного полей возникает анизотропия магнитных свойств МЖ с микрокапельными агрегатами. Так как при этом степень отклонения формы капель от сферической мала, то возникающая анизотропия представляется в виде суперпозиции анизотропии, наводимых каждым полем в отдельности. Тогда магнитная восприимчивость магнитной жидкости становится тензорной величиной, т.е. Хл = Xoh +(x!-zUe,ek -Юдік)+(%{ -zll h -1/3). где є - единичный вектор вдоль направления вектора напряженности электрического поля, h - единичный вектор вдоль направления постоянного магнитного поля, Хо щ Хі)/ - изотропная часть магнитной восприимчивости среды. В результате для суммарной магнитной анизотропии МЖ с микрокапельными агрегатами при сонаправленном действии переменного электрического и постоянного магнитного полей имеем
Из соотношения (3.4) видно, что существует такая напряженность постоянного магнитного поля, сонаправленного с электрическим, при которой результирующая анизотропия МЖ и, следовательно, влияние электрического поля на ее магнитную восприимчивость в направлении поперечном Е отсутствуют. Нетрудно показать, что это возможно в том случае, когда Я2 = КЕ2, где коэффициент К сложным образом зависит от соотношений диэлектрических проницаемостей, удельных проводимостей, коэффициентов вязкости капли магнитной жидкости и окружающей ее среды и от частоты электрического поля
Пропорциональность квадрата напряженности электрического поля квадрату напряженности постоянного магнитного поля, при котором микрокаплл восстанавливает сферическую форму, указывает на согласие этого теоретического обоснования с полученными экспериментально результатами (рис. 3.11).
Ранее [67, 68, 70], при исследовании гидростатики межфазнои поверхности микрокапельного агрегата в магнитном поле была обнаружена нестабильность его формы для некоторых значений эксцентриситета: с увеличением магнитного поля, при определенном пороговом значении его напряженности, происходит скачкообразное увеличение вытянутости агрегата вдоль поля. При последующем уменьшении поля скачкообразное уменьшение вытянутости агрегата происходит при меньшем значении пороговой напряженности. Отметим, что в этих работах не ставилось цели изучения влияния процессов деформации микрокапельных агрегатов на магнитные свойства магнитной жидкости, кроме того исследования, в основном, проводились в постоянных магнитных полях. В последующем, изучение особенностей намагничивания магнитных жидкостей с микрокапельными агрегатами проводилось в работах [69, 71, 78, 176], где показано, что наличие микрокапельной структуры, может оказывать существенное влияние на магнитные свойства магнитной жидкости. Вместе с тем, как уже было указано, исследование деформационных эффектов микрокапельных агрегатов и их влияния на процессы намагничивания исследовались в основном в случае воздействия постоянных полей и для неподвижных магнитных жидкостей. Однако, проведенные исследования в переменном поле магнитной восприимчивости движущейся (вращающейся) магнитной жидкости с микрокапельной структурой выявили ее зависимость, как от величины напряженности переменного магнитного поля, так и от скорости вращения контейнера с исследуемым образцом.
