Проблемы структурных изменений магнитных эмульсий

РЕФЕРАТ

ПРОБЛЕМЫ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МАГНИТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Введение

Исследование структурных изменений магнитных эмульсий в электрических полях и обусловленных ими особенностей магнитных свойств таких систем.

Цель работы: изучение структурной организации магнитных эмульсий при воздействии на них электрического поля.

Идея эксперимента: Воздействие на магнитные эмульсии внешних полей может приводить к деформации микрокапель и их структурной организации, что оказывает существенное влияние на физические свойства таких систем. Исследование структурных изменений может быть осуществлено различными методами, в том числе и с помощью непосредственных измерений в оптический микроскоп. Последующие исследования физических свойств таких систем позволят установить взаимосвязь между структурными свойствами эмульсий и их электрическими и магнитными свойствами.

Теоретическая часть

Магнитные жидкости (МЖ) - стабилизированные коллоидные растворы ферромагнетиков в некоторой жидкости - носителе, их магнитные свойства определяются содержанием твердой магнитной составляющей, которая может достигать 25 объёмных процентов. МЖ представляют собой взвесь однодоменных микрочастиц ферро- и ферримагнетиков в жидкой немагнитной среде (керосине, воде, толуоле, минеральных и кремнийорганических маслах и т. п.).

Эмульсия - коллоидная дисперсия одной жидкости в другой, причем жидкости не растворимы друг в друге. В связи с синтезом магнитных жидкостей появилась возможность создания так называемых магнитных эмульсий, в которых дисперсной или дисперсионной средой может быть жидкая намагничивающаяся среда.

Большой интерес представляет поведение микрокапель таких эмульсий во внешних полях.

Характер воздействия электрического поля на каплю определяется электрическими свойствами среды, из которой она состоит. Когда среда является идеальным диэлектриком, деформацию капли в вытянутый эллипсоид вращения и последующий ее разрыв легко объяснить теоретически, предполагая, что нормальная составляющая тензора электрических напряжений на поверхности капли уравновешена капиллярным давлением, возникающим вследствие неравномерности кривизны капли. Этот факт был также установлен из энергетических соображений.

При рассмотрении процесса деформации микрокапельного агрегата необходимо учитывать также электрические свойства омывающей его среды. Полная энергия деформированного капельного агрегата складывается из электрической компоненты и энергии межфазного натяжения :

, (1)

Электрическая компонента энергии равна:

, (2)

где , , - угол между вектором напряженности и ориентацией капельного агрегата.

С учетом деполяризующего фактора, для проекций электрического момента нетрудно получить выражения:

,,

где - диэлектрическая проницаемость микрокапли, - диэлектрическая проницаемость омывающей микрокаплю среды.

В случае, когда большая полуось деформированной микрокапли совпадает по направлению с напряженностью поля , для электрической энергии имеем

.

Энергия межфазного натяжения равна

,

где - эксцентриситет вытянутой капли, - радиус невозмущенной капли, - коэффициент межфазного натяжения.

Условие устойчивого положения эллипсоидальной капли, а так же ее разрыва, может быть найдено путем минимизации ее полной энергии

, .

В случае малых деформаций

(3)

Если окружающая каплю среда электропроводна, то к силам поляризационного происхождения добавляются и кулоновские силы, действующие на свободные заряды, накапливающиеся на межфазных границах гетерогенной среды. При этом, на поверхности капли существует трансверсальное электрическое напряжение, которое генерирует течение внутри и вне капли. В этом случае теория предсказывает образование как вытянутых, так и сплюснутых эллипсоидов в зависимости от отношения диэлектрических постоянных, удельных электрических сопротивлений и коэффициентов вязкости двух жидкостей, а также существование критических значений этих отношений, при которых капля остается сферической.

Эксперименты в стационарных электрических полях сопряжены с большими трудностями из-за электрофоретической миграции капель, обусловленной возможностью приобретения ими малых ненулевых зарядов. Поэтому, экспериментальные исследования удобнее проводить в переменном электрическом поле.

Зависимость характера деформации капель от частоты, а также особенности температурной зависимости деформации при разных частотах (ниже и выше критической) переменного электрического поля, очевидно, связана с наличием или отсутствием движения электропроводной жидкости. Движение жидкости может возникать вследствие действия касательных электрических напряжений на межфазных границах, где накапливаются свободные заряды. В работе, где исследовались капли гомогенных жидкостей 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 половина капли, обращенная к положительному электроду, заряжается положительно, а обращенная к отрицательному электроду - отрицательно. При имеет место обратная картина. ( и - 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 и происходит сплющивание капли. Во втором случае возникают течения, направленные от экватора к полюсам, при течения отсутствуют. Вероятно, этот механизм может иметь место и в рассматриваемом нами случае, т.е. для микрокапель магнитного коллоида. По-видимому, впервые подобные идеи были реализованы Цеберсом А.О. при теоретическом описании зависимости деформации микрокапельных агрегатов от частоты переменного поля. Им была использована система уравнений, включающая уравнения и граничные условия электростатики, гидродинамики, а также закон сохранения заряда, учет переноса заряда движущейся жидкостью в котором осуществлен введением члена, содержащего поверхностную дивергенцию конвективного тока. В результате показано, что в области некоторых значений физических параметров капли и окружающей ее жидкости капля должна быть сплюснута вдоль вектора . При этом, критическое значение частоты, при которой происходит восстановление сферической формы капли, определяется из соотношения:

(3.4)

где , , - диэлектрическая проницаемость, коэффициент вязкости, удельная электропроводность соответственно.

- максвелловское время релаксации свободного заряда.

При степень растяжения капли вдоль вектора напряженности поля с ростом частоты уменьшается, а при увеличивается.

С целью установления соответствия результатов проведенных и описанных выше экспериментальных исследований с существующими теориями были проведены измерения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности капель и омывающей их среды при использовании методики. Оказалось, что отношение при увеличении частоты изменяется от 0,75 (f = 0,5 кГц) до 1,325 (f = 10 кГц), при этом при f < 3 кГц < 1, а при f > 3 кГц > 1. Однако, определить как изменяется произведение отношений при изменении частоты оказалось затруднительным, так как образование объемного заряда в приэлектродном пространстве приводит к серьезным погрешностям при измерении электропроводности исследуемого образца на низких частотах.

Для зависимости эксцентриситета сплюснутой капли от напряженности электрического поля теория дает:

 (5)

где - коэффициент, зависящий от частоты электрического поля и соотношений диэлектрических проницаемостей, удельных проводимостей и коэффициентов вязкости капли и окружающей ее среды.

Анализ результатов исследования деформации капли от напряженности поля полученных экспериментально в низкочастотном диапазоне позволил сделать вывод о соответствии вида функциональных зависимостей даваемых теорией и экспериментом.

При достаточно высоких частотах, когда свободные заряды не успевают перераспределяться и конвективный перенос заряда практически отсутствует, деформация капли осуществляется из-за отличия диэлектрических свойств капли и окружающей ее среды. Зависимость эксцентриситета может быть представлена в виде выражения (3) путем замены в нем напряженности электрического поля на его эффективное значение E/:

(6)

Таким образом, зависимость деформации капли от напряженности переменного электрического поля при наличии конвекционного тока и при его отсутствии (в высокочастотном диапазоне) должна быть линейной. Однако в первом случае (выражение 5) коэффициент при Е2 содержит кроме коэффициента межфазного натяжения и диэлектрических проницаемостей капли и омывающей ее среды еще и их удельные электропроводности и коэффициенты вязкости. По-видимому, с особенностями изменения этих параметров (а так же их соотношений) и связан различный характер деформации капли при изменении температуры в низкочастотном и высокочастотном диапазонах, т.е. тот факт, что в первом случае при повышении температуры величина деформации увеличивается, а во втором, напротив, уменьшается. Действительно, повышение температуры увеличивает удельную электропроводность электропроводящих жидких сред за счет понижения вязкости раствора, уменьшения гидратации ионов, а также увеличения степени диссоциации.

Экспериментальная установка

Исследование деформации микрокапельных агрегатов при действии переменного электрического поля проводится с помощью ячейки, схема которой приведена на рисунке 1. Ячейка представляет собой предметное стекло 1, на поверхность которого наклеены две прямоугольные металлические пластины 2 (медная фольга), в зазоре между торцами создается переменное электрическое поле. Для этого на пластины подается напряжение от звукового генератора. Зазор между пластинами заполняется магнитной жидкостью, сверху ее объем ограничивается покровным стеклом 3, после чего ячейка закрепляется на столике микроскопа. Оценка деформации наблюдаемых микрокапельных агрегатов проводится с помощью окулярных шкал или окулярного микрометра, предварительно проградуированных с помощью стандартных объектмикрометров.

Рис. 1. Схема ячейки для исследования деформации микрокапельных агрегатов в электрическом поле: 1 - предметное стекло, 2 - металлические пластины, 3 - попокровное стекло.

Исследование влияния переменного электрического поля на магнитную восприимчивость проводится при помощи ячейки изображенной на рисунке 2. Между пластинами конденсатора 1, заливается эмульсия. На выводы 2 подается переменное электрическое поле создаваемое звуковым генератором. Выводы 3 подключаются к измерителю иммитанса 5 (рис.3) c помощью которого измеряется индуктивность внешней обмотки. Величина напряжения определяется мультиметром 4.

Рис. 2. Схема измерительной ячейки для исследования изменения магнитной восприимчивости в электрическом поле: 1 - пластины конденсатора, 2 - выводы для подачи напряжения на конденсатор, 3 - выводы для измерения индуктивности внешней обмотки.

Рис. 3. 1- звуковой генератор; 2- ячейка для исследования деформации микрокапельных агрегатов; 3- ячейка для исследования изменения магнитной восприимчивости; 4- мультиметр; 5-измеритель иммитанса.

Проведение эксперимента

А) Исследование структурных изменений магнитных эмульсий:

1. Нанести слой магнитной эмульсии между пластинами ячейки, изображенной на рис. 1.

2. С помощью микроскопа (при использовании окулярного микрометра) провести замеры отношения полуосей капли в зависимости от частоты и напряжения.

3. Установить определенную частоту и получить зависимость деформации капли от напряжения между пластинами ячейки. Данные занести в таблицу:

4. Построить график этой зависимости.

5. Повторить исследования при других частотах.

Б) Исследование изменения магнитной восприимчивости :

1. Залить эмульсию между пластинами ячейки изображенной на Рис. 2.

2. Подать переменное напряжение на ячейку.

3. Установить определенную частоту, провести измерения зависимости индуктивности ячейки от напряжения между электродами ячейки. Данные занести в таблицу:

4. Повторить исследования при других частотах напряжения.

5. Произвести расчет магнитной проницаемости м по формуле:

где - индуктивность ячейки с жидкостью, - индуктивность пустой ячейки.

6. Построить график зависимости м(U).

7. Объяснить полученные результаты исследований

Литература

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1032 с.

2. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. - Минск: Вышейшая школа, 1988. - 184 с.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992.

4. Стреттон Д. Теория электромагнетизма. М.-Л.: Гостехиздат.-1948.-312 с.