WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 8 03 Особенности взаимодействия магнитной жидкости, имеющей микрокапельную структуру, с переменным магнитным полем © Д.В. Гладких, Ю.И. Диканский Ставропольский государственный университет, 355009 Ставрополь, Россия e-mail: Dikansky@mail.ru (Поступило в Редакцию 11 октября 2005 г.) Исследована эффективная магнитная восприимчивость магнитной жидкости с микрокапельной структурой.

Сделан вывод, что вращение такой среды приводит к особенностям ее намагничивания, обусловленным деформацией микрокапельных агрегатов под воздействием измерительного поля с последующей их переориентаций при вращении. С целью подтверждения сделанного вывода исследованы особенности деформации микрокапельных агрегатов в переменном магнитном поле. 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.

PACS: 75.50.-y Введение микрокапельных агрегатов в переменных магнитных полях, а также обусловленные ею особенности магнитной Ранее [1–4] было показано, что при описании магнит- восприимчивости как неподвижной, так и вращающейся ных свойств магнитных жидкостей (МЖ) необходимо магнитной жидкости с хорошо развитой микрокапельной учитывать диполь–дипольное взаимодействие дисперс- структурой.

ных частиц и связанное с ним структурное состояние коллоидной системы. Наиболее распространенными Методика эксперимента и объект структурными образованиями в магнитной жидкости являются микрокапельные агрегаты, представляющие исследования собой капли более концентрированной магнитной жидкости, чем омывающая их среда. Экспериментальному и В качестве объекта исследования использовались МЖ теоретическому исследованию каплеподобных агрегатов с микрокапельной структурой, полученные путем фапосвящен ряд работ (например, [5–7]). В основном, зового расслоения первоначально однородной МЖ на эти исследования посвящены гидростатике межфазной основе керосина. Методика получения таких сред поповерхности микрокапельного агрегата в магнитном дробно описана в [9], они представляют собой мнополе. В частности, установлена нестабильность фор- жество микрокапель диаметром 2-4 µm, плавающих в мы эллипсоидального агрегата для некоторых значений слабоконцентрированной компоненте МЖ. При этом его эксцентриситета: с увеличением магнитного поля, объемная концентрация микрокапель может достигать при определенном пороговом значении его напряженно- 20-35%, а концентрация дисперсных частиц в каплях на сти, происходит скачкообразное увеличение вытянуто- порядок выше, чем в омывающей их среде. Эффективная сти агрегата вдоль поля. При последующем уменьшении магнитная восприимчивость определялась с помощью поля скачкообразное снижение вытянутости агрегата мостового метода, ее численное значение рассчитывапроисходит при меньшем значении пороговой напря- лось по формуле eff =(L - L0)/L0 (L0 — индуктивженности. Отметим, что в этих работах не ставилось ность пустого соленоида, L — индуктивность солецелью изучение влияния микрокапельных агрегатов на ноида, заполненного образцом). Измерительная ячейка магнитные свойства МЖ, кроме того, исследования, как состояла из соленоида (длина 150, диаметр 5 mm) с правило, проводились в постоянных магнитных полях.

цилиндрическим контейнером для образца (внутренний В работах [8–11] было показано, что наличие микро- диаметр 3 mm), который вводился соосно в соленоид капельной структуры может оказывать существенное и мог вращаться относительно оси, расположенной влияние на магнитные свойства МЖ.

вдоль соленоида. Чтобы исключить влияние изменеВ магнитных жидкостях, используемых в технических ния температуры, измерительная обмотка соленоида устройствах при определенных условиях, возможно об- термостатировалась водой при комнатной температуразование капельных агрегатов. Воздействие постоянных ре. Измерение индуктивности проводилось на частоте и переменных магнитных полей может приводить к 40 Hz измерителем иммитанса LCR-817 с ошибкой, не изменению технических характеристик МЖ и, как след- превышающей 0.05%. При этом амплитудное значение ствие, оказывать влияние на работоспособность устрой- переменного измерительного поля варьировалось от ства в целом. В настоящей работе изучена деформация до 150 A/m.

14 Д.В. Гладких, Ю.И. Диканский Исследование изменения структуры при воздействии различных факторов осуществлялось с помощью оптического микроскопа. Кроме того, для этой цели использовалось явление дифракционного рассеяния луча лазера, направленного перпендикулярно тонкому слою магнитной жидкости. Для исследования структуры во вращающейся жидкости использовалась кювета, представляющая собой два прозрачных стеклянных диска с образцом между ними, толщина слоя которого определялась толщиной кольцевой прокладки между дисками (50-70 µm). Вращение кюветы с образцом осуществлялось вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости кюветы и проходящей через ее центр.

Экспериментальные результаты и их обсуждение Первоначально была исследована эффективная восРис. 2. Зависимость средней величины отношений полуосей приимчивость МЖ с микрокаплями при ее вращении агрегата от напряженности переменного поля.

относительно оси, совпадающей с направлением измерительного поля. Полученная экспериментально зависимость этой характеристики от частоты вращения контейнера. Проведенные с помощью оптического микюветы при максимально возможной напряженности изкроскопа наблюдения тонких слоев исследуемой непомерительного поля (150 A/m) приведена на рис. 1 (кридвижности МЖ показали, что действие переменного вая 1). Как видно из рисунка, уже при малых скоростях магнитного поля с напряженностью, соответствующей вращения происходит уменьшение eff, в дальнейшем, значениям напряженности измерительного поля, дейс повышением частоты вращения, она практически не ствительно приводит к деформации (вытягиванию вдоль изменяется.

направления поля) микрокапельных агрегатов. На рис. Предполагалось, что обнаруженное уменьшение магпоказана зависимость средней величины отношения понитной восприимчивости от частоты вращения контейлуосей агрегата от напряженности переменного поля, нера связано с процессами деформации микрокапельных полученная при анализе результатов наблюдений за агрегатов при воздействии даже слабого измерительного десятью случайно выбранными микрокаплями в непополя с последующей их переориентацией при вращении движной жидкости.

Деформация микрокапельных агрегатов под воздействием измерительного поля должна приводить к возрастанию эффективной магнитной восприимчивости неподвижной МЖ с микрокапельной структурой при увеличении напряженности измерительного поля, что действительно наблюдается в эксперименте (рис. 3, кривая 1). Отметим, что для однородной МЖ, не содержащей агрегатов, подобного изменения восприимчивости не наблюдается (рис. 3, кривая 2).

Ранее [7,12] при исследовании особенностей деформации микрокапельных агрегатов в постоянном магнитном поле было установлено, что деформирование агрегата начинается при некотором пороговом значении напряженности поля.

Как следует из рис. 2, в случае действия переменного магнитного поля также существует пороговое значение напряженности, соответствующее началу деформирования, что подтверждается и полученной зависимостью анизотропного рассеяния света от напряженности переменного поля (рис. 4). Оказалось, что пороговое значение напряженности переменного поля имеет суРис. 1. Зависимость эффективной восприимчивости от чащественно меньшее значение, чем в случае действия стоты вращения образца: 1 — МЖ с микрокапельными агрегатами, 2 — однородная МЖ. постоянного поля, и зависит от частоты поля. Анализ Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности взаимодействия магнитной жидкости, имеющей микрокапельную структуру... результатов исследования зависимости степени деформации микрокапельного агрегата от напряженности поля при различной его частоте (рис. 5) позволяет сделать вывод, что в исследованном частотном диапазоне увеличение частоты приводит к возрастанию порогового значения H до предельного значения, соответствующего пороговому значению напряженности постоянного поля.

Можно предположить, что уменьшение порогового значения напряженности поля в случае переменного поля обусловлено характером его действия — периодичностью „раскачивания“ формы, эффективность которого увеличивается с приближением частоты поля к собственной частоте колебания капли.

Рис. 5. Зависимость средней величины отношения полуосей агрегата от напряженности переменного поля при его различной частоте: 1 — f = 5, 2 — 50, 3 — 100 Hz.

Рис. 3. Зависимость эффективной магнитной восприимчивости МЖ от напряженности измерительного поля.

Рис. 6. Зависимость эффективной восприимчивости МЖ с микрокапельной структурой от частоты вращения при различных значениях напряженности измерительного поля: 1 — H = 24, 2 — 64, 3 — 89, 4 — 111 A/m.

Очевидно, существование пороговых напряженностей поля, соответствующих началу деформации микрокапель, является причиной разного характера зависимости эффективной магнитной восприимчивости магнитной жидкости от частоты ее вращения при различной величине напряженности измерительного поля (рис. 6).

Как следует из рис. 6, уменьшение магнитной восприРис. 4. Зависимость относительной величины интенсивности анизотропного светорассеяния МЖ с микрокапельными агре- имчивости от частоты вращения (приведенное также гатами от напряженности переменного поля. на рис. 1) наблюдается при относительно больших Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 16 Д.В. Гладких, Ю.И. Диканский значениях напряженности измерительного поля. Напротив, при достаточно малых его значениях магнитная восприимчивость может увеличиваться с повышением скорости вращения (кривая 1).

Можно предположить, что вращение жидкости приводит к снижению порогового значения напряженности поля, в результате этого микрокапли, предварительно сохранявшие сферическую форму, деформируются, вытягиваясь вдоль напряженности поля. Это приводит к уменьшению размагничивающего фактора агрегата и, как следствие, к увеличению эффективной магнитной восприимчивости. При напряженности измерительного поля, превышающей ее пороговое значение, капли де- Рис. 7. Рассеяние света на деформированных микрокапельных агрегатах, содержащихся во вращающейся МЖ.

формируются еще в отсутствие вращения жидкости. Последующее вращение жидкости приводит к их наклону в направлении радиусов вращения за счет возникшего при вращении неоднородного поля центробежных сил того что его напряженность не превышает критического инерции. В этом случае угол между направлением иззначения, не способно вызывать деформацию капли, мерительного поля и большой полуосью увеличивается, но может приводить к некоторому первоначальному что и является причиной уменьшения магнитной восотклонению деформированной переменным полем капли приимчивости. Таким образом, уменьшение магнитной от оси вращения.

восприимчивости, по-видимому, связано с переориенОбоснование предполагаемых механизмов обнаружентацией вытянутых переменным измерительным полем ных эффектов проведем при использовании энергетимикрокапельных агрегатов при вращении жидкости.

ческого подхода. Можно предположить, что поворот Действительно, исследования рассеяния лазерного лудеформированного полем агрегата при вращении жидча, направленного перпендикулярно плоскости кювекости обусловлен неоднородным полем центробежных ты (при действии сонаправленного с лазерным лусил инерции. Как известно [13], введение понятия ценчом переменного поля соответствующей напряженнотробежных сил для неинерциальных систем отсчета позсти), показали появление анизотропного рассеяния при воляет ввести понятие потенциальной энергии частицы приведении кюветы во вращение. В результате этого в поле центробежных сил. В общем виде связь ценсветлое пятно, наблюдающееся в месте попадания луча тробежной энергии с центробежной силой определится на экран, трансформируется в полосу, ортогональную формулой радиусу вращения кюветы. Это может указывать на dWc поворот (на некоторый угол) вытянутых полем агрега- = m2r, тов к направлениям радиусов кюветы. Подтверждением dr этого предположения может служить рис. 7, в верхней откуда части которого показаны точки пересечения лазерного m2r2 IWc = = -, луча со стенкой кюветы и соответствующие картины 2 анизотропного рассеяния света на экране (в нижней где I — момент инерции частицы.

части рисунка).

Действие магнитного поля на деформированный агреСледует отметить, что в случае деформации микрогат препятствует его повороту в направлении радиуса капельных агрегатов за счет действия постоянного магвращения. Очевидно, что стационарное положение денитного поля подобной переориентации при вращении формированного агрегата обеспечивается за счет конкуне происходит. Это указывает на существование особых условий для переориентации вытянутого агрегата, воз- ренций магнитной энергии агрегата Wm и потенциальной никающих только случае воздействия переменного маг- энергии поля центробежных сил Wc. Таким образом, полнитного поля. Можно предположить, что возможность ная энергия деформированного микрокапельного агрегатакой переориентации появляется в момент прохожде- та, вращающегося вокруг вертикальной оси, может быть ния изменяющейся по гармоническому закону напря- представлена в виде женности поля через нуль. В этом случае вследствие относительно большого времени релаксации формы кап- W = Wm + Wc. (1) ля остается вытянутой. Происходящие в это время за счет разного рода флуктуаций небольшие отклонения Магнитная компонента энергии равна направления большой оси деформированной капли от вертикали и дают возможность включения механизма Wm = -µ0(mH), (2) дальнейшего поворота капли за счет центробежных сил.

Возможно, что одной из причин таких отклонений где m и H — векторы магнитного момента капли МЖ и может быть магнитное поле Земли, которое, вследствие напряженности однородного магнитного поля. Проекции Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности взаимодействия магнитной жидкости, имеющей микрокапельную структуру... вектора H на оси координат, связанные с полуосями капли, можно записать в виде Hx = H cos, Hy = H sin, где — угол между вектором напряженности и ориентацией большой оси капельного агрегата. Угол характеризует поворот за счет действия центробежных сил инерции первоначально деформированного вдоль направления магнитного поля микрокапельного агрегата.

После преобразований для магнитной компоненты энергии можно записать cos2 2 sinWm = -µ0VHeff +, (3) 1 + N 2 + - N где — магнитная восприимчивость вещества капельного агрегата, V — его объем, N — размагничивающий фактор агрегата, Heff = H0/ 2, H0 — амплитуда переменного поля.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.