Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Департамент образования города Москвы

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ГОРОДА МОСКВЫ «ШКОЛА №64»

Реоэлектрический эффект в неньютоновских жидкостях

Исследовательская работа

Выполнил:

ученик 7«В» Козлов Даниил

Научный руководитель:

учитель физики Выборных И. В.

Москва 2017



Оглавление

1.Введение

2.Основная часть

2.1Общие сведения о реологии

2.1.1Закон вязкого трения

2.1.2Основные типы неньютоновских жидкостей

2.1.3Дилатантные жидкости

2.2Экспериментальная часть

2.2.1Реологическое тестирование

2.2.2Эксперимент 1

2.2.3Эксперимент 2

2.2.4Анализ полученных данных

2.3Обсуждение результатов

3.Заключение

Список источников информации

Глоссарий

Приложения

электропроводность угол поворота неньютоновская жидкость



1. Введение

В настоящее время механические свойства неньютоновских жидкостей хорошо изучены и описаны. Многие исследователи выдвинули целый ряд предложений связанных с использованием этих свойств.

Однако, электрические свойства неньютоновских жидкостей мало исследованы, хотя они имеют большой потенциал, например, как материал для создания тензорезистивных датчиков, измеряющих силу удара, ускорение свободного падения и т.п. Поэтому данная работа посвящена изменению электропроводимости неньютоновской жидкости в результате механических воздействий (сдвиг слоев жидкости), который называется реоэлектрический эффект.

Цель работы: Исследование электропроводности неньютоновских жидкостей в зависимости от механического воздействия.

Задачи

1. Исследовать понятие неньютоновской жидкости и выделить ее основные типы.

2. Выбрать один из типов неньютоновских жидкостей и соответствующие материалы.

3. Опровергнуть или подтвердить предположение об изменении электропроводимости с помощью экспериментов.

4. Выдвинуть предположение о механизме изменение электрического тока.

5. Оценить практическую значимость результатов исследования.

Гипотеза исследования: Если в неньютоновской жидкости создать механическое напряжение, то ее электрическое сопротивление изменится на измеримую величину

Практическая значимость: Возможность создания датчиков измерения силы удара, ускорения свободного падения, ускорения испытываемое телом и т.д.

Актуальность: Несмотря на то, что неньютоновские жидкости распространены, их электрические свойства практически не изучены

Сфера применения результатов: Уроки физики и химии, промышленность

Техническое оснащение: Лабораторный встряхиватель, вискозиметр ротационный, мультиметр аналоговый, сосуд для электролиза, электроды медные, провода, элементы питания, трансформатор, компьютер.

Учебно-методическое оснащение: научно-популярные издания по физике и химии,

Кадровое оснащение: учитель физики, сотрудник кафедры коллоидной химии Химического факультета МГУ.

Информационное оснащение: Интернет, печатные источники.

Методы исследования: эксперимент, логика, математика.

Предполагаемые результаты:

1. Экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии и характере реоэлектрического эффекта в неньютоновских жидкостях.

2. Теоретическое объяснение экспериментальных данных.



2. Основная часть

2.1 Общие сведения о реологии

2.1.1 Закон вязкого трения

Исследование реоэлектрического эффекта для различных жидкостей является одним из направлений реологии Слово «реи» в переводе с греческого означает «течение».- науки о течении реальных веществ. Несмотря на то, что этот термин появился в 30-е годы XXвека, основоположником ее можно считать сэра Исаака Ньютона (1642-1727).

Закон вязкого трения, установленный им в 17 веке, гласит, что при перемещении тела по поверхности жидкости требуется преодолевать трение слоев жидкости двигающихся с разной скоростью, убывающей с глубиной, следовательно, необходимо приложить силу.

Для того, чтобы тянуть тело площадью S по поверхности жидкости со скоростью v при глубине H требуется сила:

,

где з- коэффициент пропорциональности (динамическая вязкость).

Эта формула описывает только так называемые ньютоновские жидкости. Для них зависимость механического напряжения (меры внутренних сил, возникающих в деформируемом теле,) от сдвига(скорости движения слоев жидкости относительно друг друга, )- линейная зависимость. К этим жидкостям относятся вода, спирт и другие низкомолекулярные вещества.

Для ньютоновских жидкостей вязкость изменяется только при изменении температуры.



2.1.2 Основные типы неньютоновских жидкостей

Жидкости, в которых динамическая вязкость зависит не только от температуры, но и от скорости сдвига слоевназывают неньютоновскими.

Выделяют два основных типа неньютоновских жидкостей:

· Дилатантные жидкости (увеличивают вязкость Здесь и далее речь идет об изменении кажущейся (эффективной) вязкости, являющейся следствием механического напряжения при увеличении скорости сдвига. Примеры - влажный песок, смесь крахмала с водой)

· Псевдопластик (уменьшает вязкость при увеличении скорости сдвига. Примеры - мед, кетчуп)

Оба этих вида объединяют в группу степенных жидкостей, потому что зависимость возникающего механического напряжения от скорости сдвига степенная (y=kxⁿ), где k- концентрация раствора, n- степень неньютоновского поведения материала.

При этом для псевдопластика показатель степени n<1, а для дилатантных жидкостей n>1.

2.1.3 Дилатантные жидкости

Для исследования была выбрана дилатантная жидкость, так как ее проще изготовлять в различных концентрациях и сам процесс приготовления не занимает много времени(смешать крахмал и воду в определенных пропорциях).

Впервые механизм изменения вязкости в дилатантных жидкостях объяснил английский ученый Осборн Рейнолдс (1842-1912).

В соответствии с его теорией, причина “дилатантности” смеси крахмала с водой в том, что крахмал (его большая часть, около 85%) не растворяется в воде, то есть представляет собой коллоидный раствор (суспензию).

Макромолекулы крахмала, множество молекул крахмала, соединенных в длинную сильно разветвленную цепочку (дисперсная фаза), находятся между молекулами воды (дисперсная среда). При малой скорости сдвига вода смазывает макромолекулы, уменьшает трение между ними. При большой же скорости сдвига плотная упаковка частиц разрушается, материал несколько увеличивается в объеме, вода не успевает заполнять образовавшиеся пустоты и трение между слоями значительно увеличивается.

2.2 Экспериментальная часть

2.2.1 Реологическое тестирование

Для проверки гипотезы было произведено два эксперимента и реологическое тестирования исследуемых образцов (трех концентраций дилатантных жидкостей)

Для выбора концентрации раствора, которая наиболее резкоизменяет вязкость в зависимости от скорости сдвига, (объекта исследования) были произведены измерения на ротационном вискозиметре.

В тестировании использовалось три концентрации крахмала: с содержанием крахмала меньшим чем содержание воды(40%)равным содержанию воды (50%) и большим чем содержание воды(60%).

На графике (график1 в приложении) представлена зависимость механического напряжения, возникающего в жидкостиот скорости сдвига, отображенная на логарифмической шкале.

Исходя из графика концентрация раствора 60% имеет наибольшее значение показателя степени n и, следовательно, резче изменяет свою вязкость.

С выбранной концентрацией были произведены два эксперимента, заключающихся в наблюдении за электрическим током, пропускаемым через объект исследования в условиях сдвига.

В первом эксперименте проводится серия сдвигов,в промежутках между которыми жидкость успеваетсрелаксировать (вернутся в исходное состояние), а во втором сдвиг происходит за счет вибрации, что исключает возможность релаксации.

2.2.2 Эксперимент 1

Описание эксперимента

К цилиндрическому стеклянному сосуду с подвижной крышкой, к которой прикреплены два электрода, подключен гальванический элемент таким образом, чтобы совокупное напряжение составило 6 вольт. Последовательно к цепи подключен аналоговый мультиметр(тестер)

Контрольные опыты

При повороте крышки в воде изменения электрического тока не происходит. Следует учесть, что при повороте в вязкой среде электроды могут несколько сблизиться друг с другом, при этом сила тока увеличится на незначительную величину (до 2 мА). При этомчем больше угол поворота, тем больше сближаются электроды.

Ход эксперимента

При повороте крышки в дилатантной жидкости сила тока увеличивалась. В ходе эксперимента поворот крышки по и против часовой стрелкиосуществлялся с одинаковой скоростью(приблизительно 2,1 радиан/c).При постепенном уменьшении скорости, эффект ослабевал и при скорости в 5 раз меньшей исчез.

Результаты эксперимента сведены в таблицу 1 (см. приложения). Наблюдаемое изменение силы тока составило от 0,8 мА (10°) до 4,1 мА(180°).

2.2.3 Эксперимент 2

Описание эксперимента

На платформу лабораторного встряхивателя (амплитуда колебаний 0,01 метра) поставлен цилиндрический стеклянный сосуд с подвижной крышкой, к которой прикреплены электроды. Электрическая схема собрана также, как и в эксперименте 1.

Ход эксперимента

Начальная сила тока- 3,4 мА. Частота колебания увеличивалась дискретно от 0,5 Гц (ускорение - 2,5·10^-2 м/c²) до 4,1 Гц. (17 · 10^-2м/c²)

Изменение силы тока составило от 0,06 мА (1,94 Гц) до 0,8 мА(4,1Гц).

Данные эксперимента представлены в таблице 2 (см. приложения).

2.2.4 Анализ полученных данных

Анализ полученных данных показывает, что в эксперименте 1 сила тока в зависимости от угла поворота изменялась линейно и симметрично относительно направления движения(см. график 2в приложении).

Данные эксперимента 2, проведенного на лабораторном встряхивателе, демонстрируют степенной характер изменения силы тока в зависимости от ускорения (см. график 3 в приложении).

Следует заметить, что во время проведения экспериментов возникали трудности, связанные с реологической нестабильностью объекта исследования (изменение его реологических свойств с течением времени), причинами которой является постепенное испарение дисперсной среды (воды) и осаждение дисперсной фазы (крахмала) на дно.

2.3 Обсуждение результатов

Полученные данные подтверждают гипотезу о существовании реоэлектрического эффекта, который характеризуется увеличением силы тока в результате механического воздействия(сдвига слоев).

Обнаруженному эффекту можно дать следующее объяснение.

Рассмотрим явления, возникающие в исследуемом коллоидном растворе при пропускании электрического тока.

Крахмал Крахмал представляет собой смесь амилозы (15%) и амилопектина (85%), который является не растворимым в воде полярным диэлектриком является полярным диэлектриком, то есть молекулы на концах имеют по два разноименных заряда, которые компенсируют друг друга.Проводимость раствору крахмала в основном обеспечивают растворенные в воде минеральные вещества.

Электрический ток, протекающий через суспензию, является результатом приложенного к раствору электрического поля напряженностьюE₀.

Макромолекулы выстраиваются по силовым линиям электрического поля, создавая при этом собственное электрическое поле напряженностью E_1, вектор которого направлен против вектора напряженности поля E₀.

Отсюда напряженность электрического поле в образце будет выражаться следующим уравнением:

E= E₀- E₁

Явление, которое описывается этим уравнением, называется ориентационной поляризацией диэлектриков.

Из-за хаотического теплового движения макромолекулы не будут точно располагаться вдоль линий поля напряженностью E_0, совершая колебательные движения около них.

Чем дальше макромолекулы находятся от положений, “диктуемых” им полем E₀, тем меньше будет напряженностьE_1, соответственно тем большим будет значение E.

Этот эффект нельзя заметить в обычных диэлектриках, так как после отклонении молекула возвращается назад за время порядка 10^-6секунды, в результате чего сохраняется баланс между тепловым движением и ориентационный поляризацией.

Во время сдвига слоев вязкость резко увеличивается, и подвижность макромолекул на время релаксации жидкости То есть время возращения жидкости в исходное реологическое состояниезначительно ограничивается. В этом периоде баланс между тепловым движением и ориентационный поляризацией нарушается - макромолекулы «застывают» в состоянии отклонения от силовых линий электрического поля. Как следствие этого отклонения уменьшается напряженность поляE₁, а напряженность поля E увеличивается.

Увеличение Eвызывает увеличение силы тока, протекающего через раствор, что наблюдается в эксперименте 2 (вибрация).

В условиях поворачивающегося электрического поля E₀(эксперимент1)макромолекулы не успевают следовать за ним в связи с большим ограничением в подвижности (резко увеличившаяся вязкость).

Чем больше угол поворота, тем больше отставание макромолекул от линий электрического поля и тем сильнее увеличение значенияE.

По этой причине реоэлектрический эффект, наблюдаемый в эксперименте 1, выражен заметнее (относительное и абсолютное увеличение силы тока больше), чем в эксперименте 2.



3. Заключение

Выводы

1. Экспериментально подтверждена гипотеза работы- выявлен заметно выраженный реоэлектрический эффект в суспензии крахмала.

2. Дано гипотетическое объяснение реоэлектрического эффекта в дилатантной жидкости на основе теории ориентационной поляризации диэлектрика.

3. Практическая значимость выявленного эффекта заключается в том, что на его основе могут быть разработаны приборы для измерения механических сил (например, акселерометр).

Однаков связи с реологической нестабильностью крахмальной суспензии для создания приборов требуется использовать более стабильные неньютоновские жидкости (возможно полученные путем смешивания органических и неорганических веществ).

Благодарности

Автор выражает особую благодарность сотруднику кафедры коллоидной химии Химического факультета Московского Государственного Университетаимени М.В. Ломоносова А.М Парфеновой за предоставление необходимого оборудования и помощь в проведении экспериментов.

Планы на будущее

· Исследование реоэлектрического эффекта в пcевдопластичных жидкостях.

· Приготовление неньютоновской жидкости, постоянно сохраняющей свои реологические свойства.

· Создание акселерометра на основании реоэлектрического эффекта.



4. Список источников информации

1.Ваюдский С.С. Курс коллоидной химии. -М.: Химия, 1975

2.Детская энциклопедия. Том 3. Вещество и энергия/ под ред. акад. И.В. Петрянова - М.: Педагогика, 1973

3.Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен. Перевод с англ.- М.: Мир, 1964

4.Шульман З.П. Беседы о реофизике. - Минск: Наука и техника,1976

5.Электрореологический эффект/ под ред. акад. А.В. Лыкова. - Минск: Наука и техника,1972



5. Глоссарий

Дилантансия - эффект, заключающейся в изменении вязкости с ростом скорости сдвига.

Диэлектрическая проницаемость- физическая величина показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме или в воздухе

Неньютоновская жидкость- жидкость, вязкость которой зависит от скорости сдвига.

Ньютоновская жидкость - жидкость, подчиняющаяся в течении закону вязкого трения Исаака Ньютона.

Поляризация диэлектрика- явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей

Полярный диэлектрик - диэлектрик, состоящий из молекул-диполей.

Реологическая стабильность - способность материала сохранять свои реологические свойства при механических воздействиях и на протяжении длительного периода времени.

Реология (реофизика)-раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества.

Реологическое тестирование- измерение изменениямеханического напряжения в образце в зависимости от скорости сдвига.

Реоэлектрический эффект - изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от реологического состояния материала.

Суспензия (коллоидный раствор) - смесь веществ, где твёрдое вещество распределено в виде мельчайших частиц (дисперсная фаза) в жидком веществе (дисперсная среда)

Электрический диполь - система двух противоположных зарядов, жестко связанных между друг другом.



Приложения

График 1. Результаты реологического тестирования.

Таблица 1. Изменение силы электрического тока в зависимости от угла поворота.

Номер серии	Угол поворота,°	Изменение силы тока, мА	Скорректированное* изменение силы тока, мА
1	180	6,1	4,1
2	-180	5,9	3,9
3	90	3,9	1.9
4	-90	4	2
5	45	2,8	1,1
6	-45	2,9	1,2
7	10	0,8	0,7
8	-10	0,9	0,8

Поворот по часовой стрелке n°, против - -n°.

Значение каждого измерения является усредненным значением серии из 5 опытов.

Напряжение - 6 вольт, начальная сила тока - 14 мА.

Каждое измерение - усредненное значение серии из пяти опытов.

*- Изменение скорректировано в зависимости от меры сближения электродов.

График 2. Результаты эксперимента 1

Таблица 2. Изменение силы тока в зависимости от частоты колебаний (ускорения).

	Отклонение значения силы тока от начального, мА
Частота,Гц	Ускорение*, м/c2	Серия 1	Серия 2	Серия 3
0.5	0,003	0,00	0,00	0.00
1,94	0,04	0,05	0,03	0,06
2,66	0,07	0,10	0,10	0,24
3,38	0,11	0,19	0,40	0,24
4,1	0,17	0,35	0,50	0,80

Начальная сила тока - 3,4 мА, напряжение - 6 вольт

* - ускорение рассчитано по формуле щ² R, где щ - частота, R - амплитуда колебания (0.01 м)



График 3. Результаты эксперимента 2

Размещено на Allbest.ru

...