Электрокинетические явления в системах макро- и микрокапель магнитных коллоидов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

• диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
• Электрокинетические явления в системах макро- и микрокапель магнитных коллоидов
• Общая характеристика работы
• Актуальность проблемы определяется интересом к исследованию многообразия процессов, происходящих в равновесных формах ограниченных объемов (каплях) жидкостей под действием внешних полей. Известным является тот факт, что свойства вещества в ограниченных объемах отличаются от свойств вещества в объеме из-за проявления размерных эффектов. Наглядное представление об изменении свойств жидкости при переходе ее из свободного состояния в приповерхностное можно получить, рассматривая каплю жидкости или ее тонкий плоский слой. Диспергирование жидкости на капли, и поведение отдельных капель играет ведущую роль в технологиях нанесения покрытий, распыления топлива в двигателях, струйной печати, сепарации, капельного охлаждения и многих других. Разработаны принципиально новые эффективные электрокаплеструйные технологии для различных отраслей промышленности, исполнительным элементом которых является «управляемая» капля (органической или неорганической жидкости, капля эмульсии или суспензии биологических продуктов). Воздействуя на каплю, целенаправленно изменяют ее параметры и тем самым обеспечивают гибкость процесса управления. Несмотря на значительный интерес к рассматриваемой проблеме, до сих пор не найдено адекватного описания взаимодействия капель с внешними полями даже для простых ситуаций. Большая часть исследований проведена для капель идеально проводящих жидкостей или идеальных диэлектриков. Вместе с тем, свойства реальных жидкостей, тем более, коллоидных, могут существенно отличаться от модельных представлений. Эффективность управления динамикой капель коллоидов и, в частности, магнитных, определяется уровнем понимания закономерностей их взаимодействия с внешними полями. Особый интерес вызывает взаимодействие капель таких коллоидов, как магнитные жидкости (МЖ), с электрическим и магнитным полями. Искусственно созданные высокодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков - магнитные жидкости сочетают в себе магнитные свойства в магнитном поле, свойства диэлектриков в электрическом поле и подвижность, характерную для классических жидкостей.
• Относительный объем приповерхностных областей в каплях весьма значителен, поэтому взаимодействие капель с внешними электрическим и магнитным полями не может не зависеть от процессов, происходящих в приповерхностных областях. В настоящее время решены стационарные задачи о форме капли диэлектрика, учитывающие конвективный перенос заряда по ее поверхности в электрическом поле [1]. Между тем, теория и практика ставят задачу рассмотрения влияния динамических процессов, протекающих в приповерхностных слоях капель композиционных сред, на их деформацию и устойчивость в электрическом и магнитном полях. Моделирование деформации и устойчивости капель МЖ во внешних полях с анализом явлений, протекающих в приповерхностном слое, только начинается. Актуальность рассмотрения процессов, протекающих в объеме капли магнитной жидкости и ее приповерхностном слое, при взаимодействии с электрическими и магнитными полями заключается также в простоте и доступности экспериментальных исследований, высокой стабильности коллоида в отсутствии внешних воздействий и малом размере дисперсных частиц (~10 нм). Использование в данной работе магнитных жидкостей оправдано тем, что результаты, полученные для капель МЖ, остаются справедливыми как для известных магнитодиэлектрических коллоидов, композиционных сред, так и для вновь синтезируемых материалов с наноразмерными частицами. Вовлечение в рассмотрение коллективного поведения частиц твердой фазы в приповерхностном слое капли МЖ приводит к существенному расширению видения явлений на границе раздела фаз, обусловленных взаимодействием электрических, магнитных и поверхностных сил.
• В данной диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1985-2009 годах. Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР по направлению 1.3 «Физика твердого тела», постановлением Госкомитета СССР по науке и технике №678 от 21.12.83 г. «О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов c использованием магнитных жидкостей», Комплексной программой Минвуза РСФСР на период до 1990 г. по проблеме «Магнитные жидкости», ежегодными планами НИР СевКавГТУ.
• Цель и задачи исследования: целью работы является установление взаимосвязи механизмов деформации, потери устойчивости и распада на отдельные фрагменты капель магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях с процессами структурообразования твердой фазы в приповерхностном слое капель.
• Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• 1. Изучались гидростатические и гидродинамические ситуации, включающие истечение, деформацию и потерю устойчивости неподвижных и вращающихся капель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях с одновременным контролем параметров их формы и теоретическим анализом наблюдаемых явлений.
• 2. Осуществлялся поиск и анализ взаимосвязи процессов структурообразования твердой фазы в приповерхностном слое под действием постоянного и переменного электрических полей с параметрами деформируемой капли магнитной жидкости.
• 3. Выявлялись особенности электрофизических свойств приповерхностного слоя, обусловленные процессами образования в нем динамических структур под действием постоянного и переменного электрических полей.
• 4. Анализировались поверхностное и межфазное натяжения магнитных жидкостей различного химического состава и концентрации твердой фазы по фигурам равновесия капель во внешних полях.
• 5. Проводились усовершенствование известных и разработка новых практических применений капель магнитных жидкостей, основанных на управлении их параметрами в электрическом и магнитном полях.
• Научная новизна:
• 1. Впервые дан теоретический анализ и проведены экспериментальные исследования динамики изменения формы капли магнитной жидкости при одновременном воздействии на нее стационарных магнитного и электрического полей. Показано, что капля МЖ как в электрическом, так и в магнитном поле до определенных напряженностей принимает форму, близкую к вытянутому вдоль направления поля эллипсоиду вращения. Установлено увеличение деформации капли при совпадении направлений электрического и магнитного полей и достижение компенсации деформации, если поля направлены ортогонально. Обнаружено, что в электрическом поле критической напряженности капля МЖ теряет устойчивость, которая выражается в заострении концов капли и отделении от них дочерних капель. Оценено влияние коллинеарного и ортогонального магнитных полей на критическую напряженность электрического поля.
• 2. Обнаружено изменение формы капли, характера движения и порога устойчивости капли МЖ во вращающемся магнитном поле при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) поля, приводящее к переходу вращательного движения в колебательное относительно вектора напряженности электрического (магнитного) поля. Определено соотношение напряженностей полей при критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное.
• 3. Изучено взаимодействие капель МЖ, сформированных в агрегат, в зависимости от взаимных направлений и напряженностей электрического, магнитного полей, а также оси агрегата. Показано, что при изменении напряженностей и ориентации внешних полей капли могут как притягиваться, так и расталкиваться.
• 4. Рассмотрено влияние структурной организации дисперсной фазы приповерхностного слоя капли МЖ в электрическом поле на ее деформацию. Систематизированы типы структурных образований и их трансформация в зависимости от величины, времени воздействия приложенного напряжения и толщины слоя МЖ, выявлены новые динамические структуры в виде вращающихся колец, вихрей, «больших» лабиринтов размером до 5 мм.
• 5. Впервые исследованы автоколебания постоянного напряжения на электродах ячейки со слоем МЖ, возникающие при протекании в ней постоянного тока, задаваемого внешним источником тока. Показано, что возникновение и прекращение автоколебаний сопровождается изменением структурной организации приповерхностного слоя.

6. Установлено, что слой магнитной жидкости при наличии в нем структурных образований представляет как в постоянном, так и в низкочастотном переменном электрическом поле активную нелинейную среду, свойства которой зависят от толщины слоя; при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного электрических полей он может проявлять свойства как линейного, так и нелинейного элемента в зависимости от величины постоянного напряжения, амплитуды и частоты переменного напряжения.

7. Обнаружены особенности электрофизических свойств структурированного

слоя МЖ, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного напряжений может принимать отрицательное значение.

8. Экспериментально получены данные по поверхностному натяжению магнитных жидкостей и обнаружено, что коэффициент поверхностного натяжения МЖ зависит от их химического состава, концентрации твердой фазы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н ? 10 кА/м.

9. Проведены оценки формы и объема свободной невесомой капли, а также капли, истекающей из отверстия, в магнитном поле, получены количественные оценки отклонения формы свободной капли от эллипсоида вращения, обнаружено изменение объема истекающей из отверстия капли МЖ при изменении напряженности воздействующего магнитного поля.

10. При использовании слоя магнитной жидкости в качестве активного диэлектрика емкостного элемента последовательного колебательного контура показана возможность управления резонансным током и добротностью контура путем изменения напряженности постоянного электрического или магнитного полей.

11. Разработан электрический способ диспергирования МЖ, позволяющий синтезировать эмульсии на основе магнитной жидкости с высокой концентрацией дисперсной фазы и, таким образом, повысить чувствительность эмульсии к магнитному полю. Оптимизирован состав магнитных эмульсий, использующихся в технике магнитной записи и дефектоскопии.

Достоверность:

достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Основным экспериментальным методом является визуализация и контроль процессов взаимодействия капель МЖ с внешними полями, а также процессов структурообразования в приповерхностном слое капель МЖ при помощи современных методов цифровой фотографии и видеозаписи, компьютерной обработки экспериментальных данных. Короткие времена экспозиции и использование для наблюдений современных видеокамер позволяют наблюдать детали процессов с высоким временным и пространственным разрешением. В работе использованы только устойчивые высокодисперсные образцы магнитной жидкости. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния, электрофизики и физики магнитных явлений; согласуются с накопленным опытом исследования капель магнитных и диэлектрических жидкостей. Основные результаты и сделанные выводы многократно доложены и обсуждены на Международных, Российских и других научных конференциях.

Область применения результатов:

1. Проведенные исследования закономерностей устойчивого и неустойчивого состояния капель магнитной жидкости могут быть использованы для объяснения процессов, реализующихся на границе раздела несмешивающихся жидкостей, то есть в ситуациях, часто встречающейся в физике конденсированного состояния, коллоидной химии и химической технологии. Трактовка явлений неустойчивости полезна при электростатическом распылении инсектицидов и топлив, получении порошков тугоплавких металлов.

2. С процессами образования динамических структур и реализацией неустойчивого состояния приходится сталкиваться при анализе грозовых явлений, града, воронок, смерчей, огней св. Эльма, плоских молний, торнадо и других явлений. Именно эти давно известные, но до сих пор полностью не осмысленные на физическом уровне природные феномены служат одной из причин интереса к возможности моделирования аналогичных процессов в лабораторных условиях.

3. Практическую значимость имеют предложенный электрический способ диспергирования эмульгированных капель МЖ (А.с. [33]) и результаты оптимизации состава эмульсий магнитных жидкостей для дефектоскопии (А.с. [34, 37]).

4. Полученные результаты используются в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов кафедры Теоретической и общей электротехники СевКавГТУ, в учебном процессе при изучении дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Техника высоких напряжений», курсов по выбору.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретического анализа и экспериментального исследования деформации и устойчивости капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них электрического и магнитного полей. Обнаруженную потерю устойчивости капель магнитной жидкости в электрическом поле и влияние на нее магнитного поля, направленного коллинеарно и ортогонально электрическому полю. Положение о трансформации капли из трехосного эллипсоида в эллипсоид вращения при ортогонально направленных электрическом и магнитном полях и вывод условий трансформации.

2. Экспериментальное подтверждение модели взаимодействия капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным полем при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) полей. Положение о критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное относительно вектора напряженности стационарного электрического (магнитного) поля и определение его условий.

3. Результаты экспериментального исследования взаимодействия капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них стационарных электрического и магнитного полей, демонстрирующие отталкивание или притяжение капель в зависимости от взаимных направлений оси агрегата, векторов электрического и магнитного полей.

4. Связь деформации капли магнитной жидкости с образованием динамических структур в ее приповерхностном слое и их трансформацией при изменении напряженности постоянного поля, времени его воздействия, а также толщины слоя. Выявленные закономерности динамики структурных образований дисперсной фазы магнитной жидкости в слое и новые типы структур, образующиеся в постоянном электрическом поле, а также при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного полей. Изменение структурных образований в зависимости от плотности задаваемого постоянного тока, протекающего через слой магнитной жидкости, в режиме автоколебаний постоянного напряжения.

5. Положение о том, что при наличии структурных образований приповерхностный слой МЖ представляет как в постоянном, так и в переменном низкочастотном электрическом поле активный нелинейный элемент; при одновременном воздействии постоянного и низкочастотного переменного электрических полей слой МЖ в зависимости от напряженности постоянного поля, амплитуды и частоты переменного поля проявляет свойства как линейного, так и нелинейного элемента.

6. Особенности электрофизических свойств структурированного приповерхностного слоя, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии на него постоянным и переменным низкочастотным электрическими полями в зависимости от соотношения напряженностей полей может принимать как положительное, так и отрицательное значение.

7. Экспериментально установленные зависимости коэффициента поверхностного натяжения магнитных жидкостей различного химического состава от концентрации твердой фазы в жидкости-носителе. Положение о независимости коэффициента поверхностного натяжения МЖ от напряженности магнитного поля Н ? 10 кА/м. Результаты анализа истечения капли МЖ из отверстия в горизонтальной плоскости, показывающие изменение ее формы и объема в зависимости от направления и напряженности воздействующего магнитного поля.

8. Использование слоя МЖ в качестве активного диэлектрика емкостного элемента электрического колебательного контура, резонансные характеристики которого регулируются постоянным электрическим или магнитным полями.

9. Способ электрического диспергирования капель МЖ и устройство для его реализации, позволяющие эмульгировать магнитные жидкости, плотность которых в 1,4…1,6 раз превышает плотность воды, и получать устойчивую эмульсию, которая обладает повышенной чувствительностью к магнитному полю.

Апробация работы: проводилась на Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 1985, 1988, 1996, 2000); Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1987, 1990); Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988) Международных конференциях по магнитным жидкостям (Riga, 1989, 1995; Paris, 1992; Bremen, 2001; Delhi, 2003; Плес, 2002, 2004, 2006, 2008); III Конференции по применению магнитных жидкостей в биологии и медицине (Сухуми, 1989), Научно-методических конференциях «Университетская наука-региону» (Ставрополь, 1997, 1998, 2004, 2005); XXIX научно-технической конференции (Ставрополь, 1999); Российской научно-практическая конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2001); XXX - ХХХVI научно-технических конференциях СевКавГТУ (Ставрополь, 2002-2008); VII Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей» (Санкт-Петербург, 2003); III International Conference Fundamental Problems of Physics (Казань, 2005); IV Международной научно-практическая конференция «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике» (Новочеркасск, 2005); II Международной научно-практической конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2007), XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009).

Основные результаты изложены в 54 публикациях, в том числе в 16 реферируемых работах из перечня изданий ВАК РФ:

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 312 страниц, из них 141 рисунок, 10 таблиц; список цитируемой литературы состоит из 303 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию статических и динамических процессов в ограниченных объемах жидкостей (каплях и слоях) при внешних воздействиях. Рассмотрены процессы взаимодействия капель диэлектриков с электрическими полями и капель магнитных жидкостей с магнитными полями. Приведены имеющиеся в литературе сведения о поверхностных и межфазных явлениях на границе раздела коллоидных, в том числе, магнитных, о процессах эмульгирования диэлектрических и магнитных жидкостей. Уделено внимание работам, посвященным процессам структурирования, происходящим на границе раздела фаз. Классифицированы типы агрегатов в объеме и слое магнитных жидкостей, образующиеся в магнитных и электрических полях. Проанализированы работы, в которых исследуются электрофизические свойства тонкого слоя диэлектрических и магнитных жидкостей и влияние на них электрического и магнитного полей. На основании литературного обзора сделано обоснование выбранного направления работы и показана актуальность сформулированных во введении задач исследования.

Во второй главе описан объект исследования - капли магнитной жидкости и установки для исследования их взаимодействия со стационарными и вращающимися электрическими и магнитными полями. Использованы капли магнитных жидкостей типа «магнетит - керосин», «магнетит - вода», «феррит кобальта-керосин», стабилизаторы - олеиновая кислота, олеат натрия и другие. Оценены погрешности измерений, которые составляют 1% в определении напряженности магнитного поля Н, 10% в определении напряженности электрического поля Е при разности потенциалов между электродами U = 0,2…1 кВ и 5% - при U > 1 кВ. Показано, что во внешнем электрическом поле капля МЖ, взвешенная в немагнитной среде, принимает форму, близкую к эллипсоиду вращения, длинной осью направленного вдоль вектора . В электрическом поле напряженностью E ? 70 кВ/м и магнитном поле напряженностью H ? 4 кА/м капли МЖ имеют идентичные формы. Деформация капли МЖ при одновременном воздействии коллинеарно направленных полей указанных напряженностей соответствует суперпозиции деформаций в каждом из них. С увеличением напряженностей магнитного и электрического полей экспериментально измеренная деформация капли превышает расчетную. Различие в деформациях связывается с образованием динамических структур в приповерхностном слое капли в электрических полях (рис. 1 кривая 1 - деформация капли в электрическом поле, 2 - деформация капли в магнитном поле, 3 и 4 - расчетная и экспериментальная деформации капли в коллинеарных электрическом и магнитном полях). При достижении критической напряженности электрического поля возникает неустойчивость поверхности капли МЖ, выражающаяся в заострении ее концов и эмиссии дочерних капель из вершин. Коллинеарное магнитное поле напряженностью Н =7 кА/м приводит к незначительному увеличению критической напряженности электрического поля, а ортогональное поле той же напряженности уменьшает ее в несколько раз (рис. 2). Зависимость деформации капли от напряженности электрического поля имеет гистерезис.

При анализе взаимодействия капли МЖ с электрическим и магнитным полями считается, что ее форма соответствует эллипсоиду вращения, поэтому за один из основных ее параметров принимается эксцентриситет:

, (1)

где а - большая, b - малая полуоси соответственно. Исходя из расчета сил, действующих на единичную площадку поверхности раздела двух диэлектриков в электрическом поле и двух магнетиков в магнитном поле, показано, что коллинеарно направленное электрическое поле является дополнительным фактором деформации капли МЖ в магнитном поле, а ортогонально - приводит к компенсации деформации капли. В ортогональных полях капля МЖ, имея в общем случае форму трехосного эллипсоида, при определенном соотношении напряженностей полей трансформируется в эллипсоид вращения. Трансформация формы капли происходит при условии пропорциональности квадрата напряженности магнитного поля квадрату напряженности электрического поля, причем коэффициент пропорциональности k определяется магнитными и электрическими свойствами системы «капля МЖ - немагнитная среда»:

, , (2)

где б_i б_e - поляризуемости вещества капли и среды, - магнитная восприимчивость МЖ в капле, n_Х, n_У - деполяризующий и размагничивающий факторы вдоль осей х и у соответственно; при этом вектор напряженности электрического поля направлен вдоль горизонтальной оси ОХ, магнитного поля - вдоль вертикальной оси ОУ, , е₀, µ₀ - электрическая и магнитная постоянные. Выражение (2) записано в представлении МЖ идеальным диэлектриком. С учетом накопления свободных зарядов q_S на границе раздела трансформация трехосного эллипсоида в эллипсоид вращения выполняются при условии:

, (3)

, (4)

, (5)

Переход к магнитным и электрическим числам Бонда при расчете условий трансформации формы капли МЖ не устраняет размерного фактора, что связывается с возникающими структурными образованиями дисперсной фазы в приповерхностном слое капли в электрическом поле (рис. 3).

При взаимодействии капли МЖ с вращающимся магнитным полем, она участвует в простом вынужденном движении - ее длинная ось вращается с угловой частотой . Направление большой полуоси капли при ее вращении отстает от направления поля на некоторый угол отставания б [2]. Анализ зависимости полной энергии капли МЖ от эксцентриситета при определенных значениях напряженности поля и частоты свидетельствует о возможности как устойчивого (минимум), так и неустойчивого ее состояния (максимум) [3]. Экспериментально установлено, что при постоянной напряженности магнитного поля выше некоторой величины H >Н* с увеличением угловой частоты магнитного поля капля вытягивается, и при достижении критической частоты щ* теряет устойчивость, разрываясь на части, количество которых зависит от напряженности магнитного поля (рис. 4). Капля превращается в цепь соединенных перемычками эллипсоидов, которые вращаются вокруг центра масс с угловой частотой, равной частоте вращения поля. При уменьшении угловой скорости после разрыва слияние капель происходит при частоте, меньшей частоты разрыва, и разница между этими частотами возрастает с увеличением напряженности поля. Если напряженность поля H < H*, то с увеличением частоты вращения эксцентриситет капли сначала растет, однако, начиная с некоторой частоты щ, уменьшается, и капля стягивается в сплюснутый эллипсоид вращения. После этого капля остается устойчивой при любом значении . При напряженности поля, равной Н*, наблюдается так называемый «предкритический» период, когда, начиная с некоторой угловой скорости, капля разрывается на две части, которые затем снова сливаются, и процесс повторяется. Увеличение напряженности поля при постоянной частоте вращения всегда приводит к неустойчивости капель с последующим их разрывом. Количество частей, на которые разрывается капля, при постоянной напряженности поля зависит от частоты вращения.

Наличие стационарного электрического поля Е_СТ, вектор напряженности которого ориентирован в плоскости вращения вектора Н_ВР, приводит к изменению характера взаимодействия капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным полем, особенно в области низких частот вращения. Полная энергия капли является функцией эксцентриситета и угла отставания, которые в свою очередь изменяются во времени. На основании анализа полной энергии капли и основного уравнения ее движения получены зависимости эксцентриситета капли и угла отставания от времени. Установлено, что эксцентриситет изменяется во времени по кривой, близкой к циклоиде с периодом, равным половине периода вращения магнитного поля, зависимость угла отставания от времени имеет вид:

, (6)

где К_М, К_Э - моменты соответственно магнитных и электрических сил, действующих на каплю. Для зависимостей эксцентриситета и угла отставания от времени получено удовлетворительное согласие теории и эксперимента (рис. 5 и 6). В слабых полях (Н < 2 кА/м, Е_СТ = 50 кВ/м) с увеличением частоты вращения максимальный эксцентриситет капли, определенный в момент времени, когда векторы и направлены вдоль одной прямой, стремится к нулю, то есть капля стягивается в сферу и остается целой при любых частотах вращения. С увеличением напряженности магнитного поля при постоянной напряженности электрического поля и частоте вращения подобного эффекта не наблюдается. Максимальный эксцентриситет капли при увеличении частоты вращения поля уменьшается незначительно, и, начиная с некоторого порогового значения напряженности, капля делится на две равные части. Несколько иная ситуация наблюдается, если изменяются напряженности электрического и магнитного полей, а частота вращения остается постоянной. С увеличением напряженности вращающегося магнитного поля всегда достигается разрыв капли. Увеличение напряженности Е_СТ при неизменной частоте вращения и напряженности магнитного поля приводит к тому, что капля прекращает вращаться, вместо вращения ее большой ось колеблется относительно вектора Е_СТ. Действие электрического поля приводит к увеличению эксцентриситета, в результате чего снижается устойчивость капли по отношению к разрыву.

Рис. 1. Деформация капли МЖ диаметром d =1,95 мм в коллинеарных электрическом и магнитном полях

Рис. 2. Потеря устойчивости каплей в электрическом поле при Н= 0; Н = 2,4 кА/м; Н=3,6 кА/м; Н = 4,8 кА/м на: а) соосное поле, б) ортогональное

Рис. 3. Зависимость от для капель диаметрами d=1,52 мм (), 2,10 мм (+) и 3,25 мм ()

Рис. 4. Этапы деления капли МЖ во вращающемся магнитном поле

Рис. 5. Зависимость эксцентриситета капли от времени в течение периода вращения поля

Рис. 6. Зависимость угла отставания от времени в течение периода вращения поля (1-эксперимент; 2 - теоретическая кривая)

Одновременное воздействие на каплю МЖ вращающегося Н_ВР и стационарного магнитных полей Н_СТ приводит в ряде случаев к эффектам, аналогичным действию дополнительного электрического поля: изменению эксцентриситета и угла отставания во времени. Деформация капель рассматривается при следующих взаимных направлениях векторов вращающегося и стационарного магнитных полей:

а) векторы и ориентированы в одной плоскости. Сложение векторов стационарного и вращающегося полей дает изменение модуля результирующей напряженности поля от минимального до максимального значения. На основании анализа полной энергии капли и основного уравнения ее движения также найдены зависимости и . Зависимость представляет циклоиду с периодом, равным периоду вращения магнитного поля, амплитуда колебаний которой возрастает с ростом Н_СТ. Зависимость при малых напряженностях Н_СТ близка к синусоидальной функции. Увеличение напряженности стационарного магнитного поля Н_СТ аналогично действию электрического поля приводит к тому, что капля прекращает вращаться, вместо вращения наблюдаются колебания ее большой оси относительно вектора напряженности Н_СТ. Зависимость Н_ВР (Н_СТ) при переходе вращательного движения капли в колебательное является прямой, угол наклона которой к оси абсцисс определяется при прочих равных условиях размером капли. Воздействие стационарного магнитного поля Н_СТ значительно повышает устойчивость капель к разрыву. Неустойчивость поверхности капли не возникает во всем диапазоне исследуемых частот (щ =0…20 c^-1) и напряженностей полей (Н_{С Т} = 0… 4 кА/м, Н_ВР= 0… 9 кА/м).

б) векторы и ориентированы в ортогональных плоскостях. Капля МЖ деформируется и приходит в прецессионное вращение вокруг оси, проходящей через ее центр масс. При этом концы длинной оси деформированной капли описывают окружности в параллельных горизонтально расположенных плоскостях. При напряженности суммарного поля , меньшей некоторой критической величины Н*, увеличение частоты вращения поля приводит к уменьшению деформации капли (стягиванию ее в сферу). Величина Н* зависит от размера капли, частоты вращения магнитного поля, а также напряженности поля Н_СТ. При Н ? Н* деформация капли увеличивается, и при определенной частоте вращения происходит ее разрыв на несколько не равных по объему частей. Полученные зависимости Н* (Н_СТ) в момент разрыва капли имеют минимум, положение которого сдвигается в сторону больших напряженностей Н_СТ с уменьшением размера капли.

Взаимодействие объединенных в агрегат капель МЖ при одновременном воздействии на них стационарных электрического и магнитного полей исследуется при следующих взаимных направлениях в пространстве оси агрегата, задаваемого вектором , векторов и. 1. Векторы , и направлены коллинеарно. Характер взаимодействия капель зависит только от соотношения напряженностей электрического и магнитного полей. 2. Векторы и коллинеарны, вектор - ортогонален им. Действие полей независимо от соотношения их напряженностей приводит к расталкиванию капель. 3. Векторы и коллинеарны, вектор ортогонален и . Агрегат стремится развернуться своей осью так, чтобы вектор совпадал с направлением электрического и магнитного полей, и при угле между векторами , и , равном ~50^о, агрегат распадается. 4. Векторы и коллинеарны, векторы и ортогональны. Агрегат не распадается при любых величинах напряженностей и . Увеличение Е при H =const приводит к деформации капель вдоль вектора с последующей характерной для капель МЖ потерей устойчивости в электрическом поле. Если агрегат состоит из трех и более капель, он разворачивается так, что вектор составляет некоторый угол с направлением векторов и , и в электрическом поле напряженностью Е ? 10 кВ/м капли располагаются хаотически.

Как показывает изучение свободной невесомой капли МЖ, ее способность деформироваться во внешних полях связана не только с магнитными и электрическими свойствами вещества капли и среды, но и с кинетическими процессами, протекающими в ее приповерхностном слое, в электрических полях.

В третьей главе рассмотрено возникновение и трансформация структур в приповерхностном слое капли МЖ в постоянном, переменном низкочастотном электрическом поле, а также при одновременном действии постоянного и переменного электрических полей. Установлено, что при воздействии постоянного электрического поля в слое МЖ происходит образование различных типов динамических структур, представляющих области повышенной концентрации твердой фазы. Проведен анализ структурообразования в тонком слое МЖ, при котором принимается, что структура состоит из проводящих частиц - «осадка» плотностью с_р, взвешенных в слабопроводящей жидкости - «газе» плотностью с_g.

Процесс образования структур представляется переходом частиц из «газа» в «осадок». При неизменном общем количестве частиц в объеме N=?(с_p+с_g) dxdy динамика структурных образований описывается как [4]:

, (7)

где , - массовые потоки «осадка» и «газа» соответственно, f - функция, описывающая взаимные переходы «осадок» / «газ» и зависящая от их плотностей, локальной концентрации ионов с и напряженности электрического поля E. В одномерном случае для периодического изменения скорости и плотности «осадка» на основании (7) получено:

, (8)

где - вязкость, л - размерный параметр неоднородностей, - коэффициент переноса частиц, - величина, ограничивающая плотность структур, - усредненная по вертикальной координате плотность частиц в однородном слое МЖ, - коэффициент, зависящий от напряженности поля, - волновое число. Показано, что коэффициент отвечает за режимы образования и трансформации структур в пространстве и во времени. Он характеризует формирование ячеистой структуры в слабых полях, в сильных полях - трансформацию и объединение «динамических» структур, а также образование вихрей. Вид кривой определяется напряженностью поля E. При коэффициенте и малой напряженности поля E структуры в слое МЖ не образуются, и он сохраняет стабильное однородное состояние (рис. 7, кривая 1). При тех же параметрах слоя с увеличением напряженности поля при =0,55…0,95 величина становится положительной (рис. 7, кривая 2), что указывает на формирование и объединение «динамических» структур со средним размером .

Если толщина приповерхностного слоя много меньше диаметра капли, то его можно рассматривать как локально плоский [5], поэтому для экспериментального исследования процессов структурообразования в электрическом поле плоскопараллельную стеклянную ячейку с напыленными электродами из In₂O₅?SnO₂ заполняют слоем МЖ типа «керосин - магнетит». Толщина слоя составляет d = 20…200 мкм и задается изолирующей прокладкой с точностью 5 мкм. Концентрация твердой фазы ц в МЖ составляет ц= 2…6%, образцы получают разбавлением исходного образца с ц = 14% жидкостью-носителем. Формирование структур также рассматривается при протекании через ячейку постоянного тока, задаваемого источником тока. Оптические наблюдения слоя МЖ сопровождаются регистрацией изображений в проходящем и отраженном свете с помощью цифровой фотокамеры. Используются режимы съемки одиночных изображений с разрешением 2592Х1944, серии изображений с интервалом 1 с, видеофильмов с разрешением 640Х480, 320Х240 и частотой съемки 10, 15 кадров/с соответственно [6].

Установлено, что под действием постоянного электрического поля в слое МЖ появляются динамические структуры, представляющие области повышенной концентрации твердой фазы. Структуры возникают за счет перераспределения локально заряженных областей повышенной концентрации твердой фазы во времени. Образование структур носит пороговый характер, пороговое напряжение U_ПОР 6 В. Форма, размеры и подвижность структур изменяются в зависимости от величины и времени воздействия напряжения (таб. 1, 2). Ячеистая структура неподвижна, лабиринтная структура перемещается со временем в межэлектродном пространстве. В отраженном свете при этом наблюдаются автоволны, обнаруженные в работе [7]. Если после восстановления макроскопической однородности на слой МЖ вторично воздействовать постоянным напряжением, в нем образуются структуры, отличные от структур, наблюдаемых при первичном воздействии. В зависимости от постоянного напряжения U_П в слое МЖ толщиной 20…25 мкм образуются следующие типы структур:

· U_П < 11…12 В-формируется ячеистая структура.

· U_П ? 11…12 В-в течение ~ 5 минут формируется новая, не наблюдаемая ранее структура в виде вращающихся колец, размер которых увеличивается в течение 30 минут (рис. 8). Формирование колец происходит в несколько стадий. Сначала на фоне уже существующей ячеистой структуры образуются области повышенной концентрации твердой фазы в виде капель размером 50…100 мкм. Затем капли объединяются в цепочки, цепочки замыкаются в кольца, внешний диаметр которых составляет 150…400 мкм. После установления равновесия в слое сосуществуют структуры двух типов: микрокапли, если размер структуры составляет менее 150 мкм, и кольца, если размер структуры составляет более 150 мкм. Кольца совершают вращательно-поступательное движение в горизонтальной плоскости межэлектродного пространства со скоростью v = 100…200 мкм/мин, направление движения носит случайный характер. Частота вращения колец составляет ~ 1 об/мин, часть колец вращается по часовой стрелке, часть - против часовой стрелки. При сближении структуры объединяются, концентрация твердой фазы в кольцах и каплях со временем увеличивается. В отраженном свете при U_П ? 11…12 В одновременно с образованием структуры в форме колец возникает поверхностная волна, распространяющаяся по кольцу. Направление вращения поверхностной волны и кольца совпадают, при этом частота вращения волны составляет приблизительно 100 об/мин, кольца -

1 об/мин. При объединении микрокапель в цепочки волна с частотой ~ 2 Гц распространяется по цепочке, при закручивании цепочки в кольцо волна начинает распространяться по кольцу.

U_П ? 17…18 В-возникает «движущаяся» структура, которая перемещается в горизонтальной плоскости слоя, кольца и капли разрушаются. Скорость перемещения «движущейся» структуры зависит от напряженности поля. Появление «движущейся» структуры в слое приводит к образованию спиральных волн, наблюдаемых в отраженном свете. При увеличении напряженности поля размер раскручивающихся спиралей уменьшается, количество центров спиральных волн увеличивается.

Таблица 1. Типы структурных образований в слое МЖ толщиной d = 150 мкм и картина, наблюдаемая в отраженном свете, в постоянном электрическом поле

Таблица 2. Типы структурных образований в слое МЖ толщиной d = 80 мкм и картина, наблюдаемая в отраженном свете, в постоянном электрическом поле

· U_П ? 24…25 В-образуются вихри, которые вращаются как по часовой стрелке, так и против нее, центры вихрей перемещается в горизонтальной плоскости (рис. 10). Через тридцать секунд после зарождения вихрь теряет устойчивость и разрушается. На протяжении всего времени существования вихря из его центра распространяется раскручивающаяся спиральная волна с периодом ~ 0,3 с, направление которой противоположно направлению закручивания потоков агрегированных частиц в центре вихря, при этом центры спиральной волны и вихря совпадают. Через ~ 10 с после зарождения вихря из его центра начинает распространяться еще одна раскручивающаяся спиральная волна. Период второй волны равен периоду первой, амплитуда и скорость больше. После излучения второй волны вихрь теряет устойчивость и разрушается.

· U_П > 26 В-прекращение образования вихрей из-за увеличения скорости «движущейся» структуры и хаотизации движения структур

При одновременном воздействии на слой МЖ постоянного и переменного низкочастотного напряжений образуются структуры, отличные от структур, наблюдаемых при воздействии каждым из полей. Основной особенностью образующихся структур в слое толщиной 20…25 мкм постоянного и переменного низкочастотного напряжений является формирование «больших» лабиринтов (размером 5 мм) с разделяющими их ячейками при амплитуде переменного напряжения U_m = 30 В, частоте f = 5 Гц и постоянном напряжении U_П ? 10 В. Процессы образования различных типов структур отражены на фазовой диаграмме (рис 11), где для частоты f =3 Гц границы изменения типов структур обозначены точечными линиями, для f = 6 Гц - сплошными, для f =10 Гц - пунктирными линиями. Диаграммы имеют идентичный вид в диапазоне частот f = 3…10 Гц. Различие заключается в том, что при увеличении частоты граница «лабиринтная - движущаяся структура» сдвигается в сторону больших напряжений. Увеличение постоянного напряжения при прочих равных условиях приводит к укрупнению лабиринтной структуры и появлению микрокапельной структуры. Увеличение частоты f >10 Гц при прочих равных условиях приводит в возникновению структур, подобных образующимся при воздействии только постоянного напряжения, однако микрокапельная структура и «большие» лабиринты отсутствуют. Переменное напряжение частотой f = 30…100 Гц не оказывает влияния на процесс образования динамических структур в постоянном электрическом поле.

При воздействии на слой МЖ постоянным током, задаваемым включением последовательно с источником постоянного напряжения резистора сопротивлением R₁= 1…10 МОм, в слое МЖ обнаруживаются структуры, аналогичные ранее рассмотренным: ячеистая и лабиринтная. Воздействие на слой МЖ постоянным током плотностью j= 0,021 А/м² (при R₁ = 1,5 МОм) приводит к возникновению автоколебаний постоянного напряжения на электродах ячейки (рис. 12). Под постоянным напряжением при автоколебаниях понимается постоянная составляющая напряжения на ячейке. Форма, частота и амплитуда автоколебаний изменяются при увеличении плотности тока (рис. 13). Автоколебания наблюдаются при j < 0,1 А/м², после чего становятся неустойчивыми и исчезают. При уменьшении плотности тока возобновление автоколебаний происходит до j = 0,048 А/м². В режиме автоколебаний происходит переход ячеистой структуры в лабиринтную, которая сохраняется до исчезновения автоколебаний, средний размер лабиринтной структуры при увеличении плотности тока увеличивается от 500 до 2000 мкм. Если сопротивление внешнего резистора составляет R₁ >1,5 МОм, форма и амплитуда автоколебаний напряжения не зависят от внешнего сопротивления, параметры автоколебаний определяются только свойствами слоя МЖ.

Рис. 7. Зависимость от для трех режимов: 1 - однородный осадок ( = 25, = 2, = - 0,1), 2 - образование ячеистой структуры ( = 45, = 2, = - 0,1), 3 - «динамические» структуры ( = 70, = 0,5 и = 0,1)

Рис. 8. Стадии образования вращающихся колец при U_П = 11 … 12 В: a - 1 мин, b - 2 мин, c - 3 мин, d - 5 мин

Рис. 9. Спиральные волны при:

а) - U_П =27 В, b) - U_П =18 В

Рис. 10. Образование a) и разрушение b) вихря в слое МЖ толщиной

d = 20 … 25 мкм при

U_П = 24 - 25 В

Рис. 11. Фазовая диаграмма структурных образований в слое МЖ при воздействии постоянным и переменным U f=6 Гц, 1 - отсутствие структур, 2 - «движущаяся» структура

Рис. 12. Автоколебания постоянного напряжения на электродах ячейки при плотности тока j: a - j =0,025 A/м², б - j = 0,048 A/м², в - j =0,085 A/м²

Проведенные исследования показывают образование и трансформацию динамических структур в приповерхностном слое капли МЖ в постоянном, переменном низкочастотном электрическом поле, а также при их одновременном воздействии. Информация о структурном состоянии слоя МЖ позволяет использовать ее для анализа ряда его электрофизических свойств.

В четвертой главе рассмотрены электрофизические свойства приповерхностного слоя МЖ в постоянном, низкочастотном и высокочастотном электрических полях, причем в высокочастотном поле - резонансным методом. Электрофизические свойства слоя МЖ изучены также при одновременном воздействии на него постоянного и низкочастотного (высокочастотного) электрических полей. На основании измерения постоянного и переменного тока, протекающего через ячейку, постоянного и переменного напряжения и сдвига фаз между переменным напряжением и током при условии, что ток имеет синусоидальную или близкую к ней форму (когда высшими гармоническими составляющими переменного тока можно пренебречь) определены емкость и проводимость ячейки, заполненной слоем МЖ. Ток определяется как падение напряжения на известном сопротивлении шунта R_ш. Погрешность определения мгновенных значений тока и напряжения не превышает 3%, угла сдвига фаз между - 1% при частоте напряжения f = 3…10 Гц и 2% при f = 10…100 Гц, постоянного напряжения - 1%, резонансной частоты - 1%.; емкости и сопротивления ячейки - 2% при f = 3 … 100 Гц и не более 5% при f = 100 … 1000 Гц. Емкость ячейки со слоем МЖ толщиной 20…30 мкм при частоте 1…10 Гц, рассчитанная на основании измерений тока, напряжения и угла сдвига фаз, составляет 10^-6-10^-7 Ф, емкость, обусловленная прокладкой - на два порядка меньше. Однако уже при частоте 10… 100 Гц емкость, обусловленная слоем МЖ, становится сравнима с емкостью прокладки, что учитывается в расчетах. Емкость ячейки со слоем МЖ толщиной d = 150 мкм в высокочастотном электрическом поле рассчитывается из резонансного режима при использовании его в качестве активного диэлектрика емкостного элемента последовательного колебательного контура:

(9)

где _р - резонансная частота, L - индуктивность катушки. В расчетах учитывается емкость, обусловленная прокладкой, так как площадь прокладки составляет ~ 40% общей площади ячейки. Схема замещения ячейки представляется в виде двух параллельно соединенных емкостей, первая из которых обусловлена прокладкой, вторая - слоем МЖ. Емкость прокладки составляет С_П = (110 ±2) 10^-12Ф, емкость слоя МЖ С = (220 ± 4) 10^-12 Ф и не изменяется при воздействии постоянного напряжения U_П.=0…300 В. Отсутствие зависимости емкости ячейки от постоянного напряжения, обнаруженной в работе [8], связано с различной частотой переменного напряжения, при которой она определяется.

Постоянная G_ПОСТ и переменная G_ПЕР составляющие активной проводимости ячейки со слоем МЖ толщиной d = 150 мкм в резонансном режиме зависят от величины постоянного напряжения, зависимость аппроксимируется суммой экспонент: