WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7 03;12 Динамика развития процессов самоорганизации в тонком слое магнитной жидкости при воздействии постоянного электрического поля © В.М. Кожевников, И.Ю. Чуенкова, М.И. Данилов, С.С. Ястребов Северо-Кавказский государственный технический университет, 355029 Ставрополь, Россия e-mail: kvm@stv.runnet.ru (Поступило в Редакцию 21 ноября 2005 г.) Экспериментально исследован процесс образования структур в виде вращающихся колец, ранее не наблюдавшихся в магнитной жидкости, определены их параметры. Также в слое магнитной жидкости зарегистрировано образование вихрей, определена последовательноcть их развития. Исследованы электрические свойства слоя магнитной жидкости при изменении величины и времени воздействия постоянного электрического поля.

PACS: 05.65.+b, 75.50.Mm Исследованию структурных образований в слое маг- ганизации под действием постоянного электрического нитной жидкости посвящено большой количество ра- поля.

бот [1–7]. Так, в [1] были обнаружены приэлектродные Целью настоящей работы является продолжение эксструктурные образования под действием постоянного периментальных исследований процессов самоорганизаэлектрического поля, принципиальную роль в возникно- ции в слое магнитной жидкости (МЖ) под действием вении которых играет неоднородный биполярный заряд, постоянного электрического поля. В работе рассматформирующийся в процессе прохождения тока через риваются особенности проявления процессов самоорслой магнитной жидкости. В работе [2] исследованы ганизации в тонких слоях магнитной жидкости при особенности формирования структурных решеток лаби- воздействии электрического поля.

ринтного и полосчатого типа в тонких слоях магнитных В работе исследовался плоскопараллельный конденжидкостей при воздействии постоянного электрического сатор с оптически прозрачными электродами, заполненполя. Проведенные исследования позволили предполо- ный слоем магнитной жидкости. Использовалась магжить, что действие электрического поля приводит к нитная жидкость на основе керосина с магнетитовыми появлению в тонком слое магнитной жидкости новой, частицами, стабилизированными олеиновой кислотой, с более концентрированной фазы. В работе [3] образова- объемной концентрацией твердой фазы = 2%. Расстоние структур связывалось с повышением концентрации яние между электродами задавалось с помощью продисперсной фазы вблизи электродов и последующим кладки и составляло порядка 20-25 µm. Исследуемый агрегированием. Процесс агрегирования интерпретиро- конденсатор включался в последовательный колебательвался на основе термодинамических представлений о ный контур [7], служащий для определения его элекфазовых переходах. В [4] приведены результаты экспери- трических свойств. Синусоидальное напряжение на конментального исследования возникновения структурных денсаторе с резонансной частотой контура 6.8 kHz исрешеток в движущейся магнитной жидкости при воздей- пользовалось для исследования электрических свойств ствии электрического и магнитного полей. Показано, что слоя магнитной жидкости при наличии в нем процессов обнаруженные структурные образования такой среды самоорганизации. Наблюдения за процессами самооргаприводят к изменению ее электрофизических свойств. низации при воздействии этого напряжения и без него Во всех этих работах средний размер структурных не выявили отличий. Это позволило сделать вывод, что образований не превышал единиц микрон. В работе [5] измерительное напряжение не оказывает влияния на было получено уравнение, описывающее концентраци- данные процессы.

онные автоволны, наблюдаемые в приповерхностном В ходе экспериментов на конденсатор подавалось слое магнитной жидкости на границе с электродом под поляризующее напряжение, которое изменялось в предедействием постоянного электрического поля. лах 0-60 V. Таким образом, напряженность постоянного В работах [6,7] в слое магнитной жидкости было электрического поля внутри ячейки достигала значезарегистрировано образование, развитие и самооргани- ний 2.5 MV/m.

зация агрегатов размером порядка единиц миллиметров, В слое магнитной жидкости наблюдались структурные которые влияют на его электрофизические свойства. образования, форма и размеры которых изменялись Установлено, что при изменении толщины слоя магнит- в зависимости от величины и времени воздействия ной жидкости изменяется характер процессов самоор- поляризующего напряжения. При первом воздействии 9 130 В.М. Кожевников, И.Ю. Чуенкова, М.И. Данилов, С.С. Ястребов постоянного электрического поля на конденсатор структурные образования отличаются от наблюдаемых при последующих воздействиях, структура состоит из ячеек, которые наблюдаются в диапазоне поляризующих напряжений (UP = 2-8V). В дальнейшем структура становится менее выраженной и начиная с напряжения 12-14 V возникает хаотическое движение жидкости в межэлектродном пространстве, интенсивность которого возрастает при увеличении поляризующего напряжения. Перед первым воздействием электрического поля слой магнитной жидкости был однороден и неподвижен.

Последующие воздействия осуществлялись, после того как восстанавливались электрические свойства конденсатора на резонансной частоте и слой магнитной жидкости становился однородным и неподвижным.

Повторные воздействия поляризующего напряжения в диапазоне 2-8 V, создавали аналогичные ячеистые структуры, описанные выше. Начиная с напряжения 11-12 V в слое магнитной жидкости образуются структуры в виде колец, размер которых увеличивается в течение определенного времени после установления Рис. 1. Процесс образования вращающихся колец в слое магполяризующего напряжения (30 min, далее наблюдения нитной жидкости толщиной d = 20-25 µm при поляризующем не производились ввиду незначительности изменения напряжении UP = 11-12 V. a —1, b —2, c – 3, d —5 min.

структур). Характерным является механизм образования данных структур, который можно описать следующим образом. В слое жидкости на фоне ячеистой структуры образуются более концентрированные области в виде капель размером порядка 50-100 µm (рис. 1, a), которые затем объединяются в цепочки (рис. 1, b), а цепочки, в свою очередь, превращаются в кольца, которые находятся во вращательном движении (рис. 1, c и d). Внешний диаметр колец составляет 150-400 µm. Вращение колец происходит как по часовой стрелке, так и против.

Частота вращения составляет порядка 1 rot/min. Данные структуры также перемещаются в горизонтальной плоскости межэлектродного пространства со скоростью Рис. 2. Вихрь в слое магнитной жидкости толщиной порядка 100-200 µm/min, направление движения имеет d = 20-25 µm при поляризующем напряжении UP = 24-25 V.

случайный характер, при сближении с другими струкa, b — образование и разрушение вихря.

турами происходит их объединение. Характерное время образования колец составляет порядка 5 min. По прошествии этого времени в слое магнитной жидкости могут частиц твердой фазы в горизонтальной плоскости межсуществовать структурные образования в виде колец электродного пространства. Затем эти потоки сталкии капель. Структуры, имеющие диаметр менее 150 µm ваются в одной области, где движение приобретает имеют форму капли, при больших диаметрах структуры вращательный характер. В этой области образуется имеют форму колец. С течением времени происходит центр вихря, который медленно перемещается в гориувеличение концентрации твердой фазы в кольцах и зонтальной плоскости межэлектродного пространства.

каплях за счет „подсоса “ частиц из окружающего их В слое магнитной жидкости образование центров вихрей пространства.

происходит случайным образом. Направление вращения Дальнейшее увеличение напряженности постоянного электрического поля приводит к разрушению струк- вихря может быть как по часовой стрелке, так и против.

турных образований в виде колец и капель за счет На протяжении всего времени существования вихря увеличения скорости движения жидкости. При поляри- (порядка 30 s) из его центра распространяется раскрузующем напряжении 24-25 V в слое МЖ наблюдается чивающаяся спиральная волна с периодом порядка 0.3 s, образование вихрей (рис. 2, a). направление которой протиповоложно направлению заОбразование и развитие вихрей происходит в опре- кручивания потоков агрегированных частиц в центре деленной последовательности. Сначала образуются раз- вихря. Также по прошествии порядка 10 s с момента нонаправленные упорядоченные потоки агрегированных возникновения вихря из его центра начинает распростраЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Динамика развития процессов самоорганизации в тонком слое магнитной жидкости... Кривые 2 и 3 соответствуют повторному воздействию с повышением и понижением поляризующего напряжения. Поляризующее напряжение изменялось с тем же шагом и выдержкой 1.5 min на каждом шаге. Так же измерялся постоянный ток через контур, вызванный источником поляризующего напряжения, зависимость которого представлена на (рис. 3, кривые 4–6). Кривая 4 соответствует первичной подаче поляризующего напряжения, 5 и 6 соответствует условиям измерения резонансного тока для кривых 2 и 3.

При снятии поляризующего напряжения электрические свойства конденсатора, определяемые на резонансной частоте контура, возвращались к исходным значениям через время порядка 1 min, однородность слоя магнитной жидкости восстанавливалась через 2 h.

По экспериментальным результатам были рассчитаны Рис. 3. Изменения тока контура от поляризующего напря- и построены проводимости конденсатора на резонансной жения.

частоте контура (рис. 4, кривые 1–3), а также проводимости на постоянном токе (рис. 4, кривые 4–6) в зависимости от поляризующего напряжения. Методика расчета представлена в работе [6].

Наблюдения за электрическими свойствами конденсатора при образовании в слое магнитной жидкости кольцеобразных структур и вихрей показали, что они изменяются незначительно (в пределах 1%). Хотя увеличение времени воздействия поляризующего напряжения на каждом шаге приводит к изменению хода зависимостей резонансного тока контура и постоянного тока через конденсатор от поляризующего напряжения.

Проведенные в настоящей работе экспериментальные исследования показали, что в тонких слоях магнитной жидкости, кроме ранее известных процессов самоорганизации, при определенных условиях возникают структурные образования в виде вращающихся колец и вихри. Причем возникновение вихрей сопровождается образованием „лучистой“ структуры размером нескольРис. 4. Изменения проводимости конденсатора от поляризуюко миллиметров, в центре которой располагается вихрь, щего напряжения.

и распространением спиральной волны.

Список литературы няться раскручивающаяся спиральная волна с большей амплитудой и скоростью. Период распространения этой [1] Kozhevnikov V.M., Morozova T.F. // Magnetohydrodynamics.

волны также составляет порядка 0.3 s, время распростра2001. Vol. 37. P. 383.

нения — около 2 секунд. После излучения этой волны [2] Диканский Ю.И., Нечаева О.А. // Коллоидный журнал.

вихрь теряет устойчивость и разрушается (рис. 2, b).

2003. Т. 65. Р. 338.

Напряжение на ячейке UP > 26 V приводит к возник[3] Kozhevnikov V.M., Larionov J.A., Chuenkova I.J. et al. // новению хаотического движения жидкости, интенсив- Magnetohydrodynamics. 2004. Vol. 40. P. 269.

ность которого возрастает при увеличении поляризую- [4] Veguera J.G., Dikansky Yu.I., Larionov Yu.A. Magnetohydrodynamics. 2004. Vol. 40. P. 281.

щего напряжения, и прекращению образования вихрей.

[5] Чеканов В.В., Кандаурова Н.В., Бондаренко Е.А. // Вестн.

Одновременно с наблюдениями процессов самоСтавр. гос. ун-та. 2001. Т. 28. С. 37.

организации производились измерения электрических [6] Kozhevnikov V.M., Chuenkova I.J., Danilov M.I. et al. // свойств слоя магнитной жидкости. По результатам измеMagnetohydrodynamics. 2005. Vol. 41. P. 53.

рения были построены зависимости резонансного тока [7] Кожевников В.М., Чуенкова И.Ю., Данилов М.И. и др. // контура от постоянного напряжения на конденсаторе Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. Вып. 21. С. 64.

(рис. 3, кривые 1–3). Представленная кривой 1 зависимость соответствует первому воздействию поляризующего напряжения, которое подавалось с шагом 2 V.

9 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.




© 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.