Введение
1.1. Электрофизические свойства магнитодиэлектрических жидкостей 11
1.1.1. Проводимость и диэлектрическая проницаемость магнитных жидкостей 11
1.1.2. Механизмы зарядообразования в дисперсных системах 15
1.1.3. Взаимодействие магнитных жидкостей с магнитным полем 18
1.2. Неустойчивость свободной поверхности магнитодиэлектрического коллоида в электрическом и магнитном полях 22
1.3. Каплеструйные течения слабопроводящих сред в электрическом и магнитных полях 30
1.4. Нейтрализация статического электричества 35
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ОЦЕНКА И УЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ 40
2.1. Постановка задачи 40
2.2. Экспериментальные установки 41
2.3. Методики экспериментов 47
2.4. Обработка экспериментальных данных и оценка погрешностей 51
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ 56
3.1. Исследование магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического распыления
3.2. Электрические и геометрические параметры струйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях 68
3.2.1. Вольт-амперные характеристики струйного течения при изменении начального значения индукции магнитного поля и концентрации твердой фазы 68
3.2.2. Массоперенос с противоэлектрода в электрическом и магнитном полях 73
3.2.3. Массо- и зарядоперенос при струйном течении 77
3.3. Динамика возникновения, электрические и геометрические пара¬
метры межэлектродной перемычки 84
3.4. Неустойчивость магнитодиэлектрического коллоида с различны¬
ми физико-химическими свойствами в нормальном к поверхности электрическом и магнитном полях 100
3.4.1. Влияние концентрации дисперсной фазы на характер неустойчивости свободной поверхности магнитодиэлектрического коллоида в вертикальном магнитном поле 100
3.4.2. Исследование формы неустойчивости свободной поверхности жидкости в неоднородном поле при изменении концентрации дисперсной фазы, толщины слоя и внешнего электрического поля 106
3.4.3. Влияние электрического поля на форму неустойчивости свобод¬
ной поверхности магнитодиэлектрического коллоида 111
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛЛОИДА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ 119
4.1. Устройство для бесконтактного определения электростатической
безопасности объектов 119
4.2. Высокоомное управляемое сопротивление 124
4.3. Улучшение технико-эксплуатационных показателей магнитожидкостного индукционного струйного нейтрализатора 130
Заключение 134
Литература 136
Приложения 147
Актуальность.Магнитные жидкости на углеводородной основе (магнитодиэлектрические коллоиды), впервые полученные в 60-х годах прошлого столетия и изучаемые до настоящего времени, являются интереснейшим материалом, сочетающим в себе одновременно магнитные и диэлектрические свойства. Это сочетание дает возможность для их использования в качестве активной среды в электротехнических устройствах и аппаратах, а также с целью моделирования различных ЭГД-процессов.
Одним из важных в этом направлении является применение магнитной жидкости в индукционных нейтрализаторах статического электричества, основанных на эффекте взаимодействия свободной поверхности магнитной жидкости с внешним электрическим полем. Этот метод нейтрализации является безискровым, что позволяет применять его в нефтеперерабатывающей, электронной, целлюлозно-бумажной и ткацкой отраслях промышленности, в которых большинство технологических процессов неразрывно связано с образованием и накоплением статического электричества. Безискровое выравнивание потенциалов на изолированных конструкциях является актуальной проблемой в космических технологиях. Не менее интересным является управляемый тепло- и массообмен в условиях почти полного отсутствия гравитации, основанный на взаимодействии свободной поверхности коллоида с внешними электрическим и магнитным полями.
В тоже время большой научный интерес представляет изучение возможности создания магнитного аэрозоля электростатическим методом и управления движением аэрозольных частиц внешними электрическим и магнитным полями. Результаты этих исследования могут найти широкое применение в электрокаплеструйных регистрирующих устройствах и при получении магниточувствительных эмульсий. Достижения в области химии позволили синтезировать новые магнитодиэлектрические коллоиды на основе полимерных материалов. Это дает возможность создания управляемых микро- устройств (датчики, электронные ключи, оптические электрозатворы и т.д.) с использованием жидкости на полимерной основе в качестве активной среды.
Еще одним подтверждением актуальности выбранной тематики является то, что исследования физико-химических и тепло-физических свойств магнитных коллоидов, поведение объема и свободной поверхности во внеш¬них полях отражено как как одно из приоритетных направлений научных исследований на ближайшее десятилетие XXI века в отчете Национального совета по науке и технике при президенте США.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение неустойчивости свободной поверхности магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях и разработка устройств на основе этого явления.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
• Экспериментально определены средние размер и скорость частиц аэрозоля, полученного методом электростатического распыления, произведена оценка значения заряда частицы.
• Получены вольт-амперные характеристики струйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях для диапазона значений концентрации дисперсной фазы ф 0,1.. .0,2; индукции магнитного поля В 25...40 мТл и межэлектродного расстояния hМЭ==0,013.0,04 м.
• Впервые обнаружено, что использование высококонцентрированных жид-костей (ф= 0,17-0,19) приводит к новому типу неустойчивости свободной поверхности в электрическом и магнитном полях - межэлектродной квази- стационарной перемычке. В работе определены вольт-амперные характеристики перемычки и зависимости относительного изменения ее диаметра от величин внешних электрического и магнитного полей, межэлектродного расстояния.
• Впервые обнаружено и экспериментально исследовано периодическое изменение диаметра межэлектродной перемычки в приэлектродной области при постоянстве внешних электрического и магнитного полей. Получены и проанализированы амперо-временные зависимости перемычки при возникновении автоколебательного процесса, установлена зависимость периода колебаний от межэлектродной разности потенциалов для магнитной жидкости с концентрацией дисперсной фазы ф=0,19.
1. Впервые определено критическое значение концентрации дисперсной фазы (ф=0,033), ниже которого на поверхности коллоида, независимо от величины индукции магнитного поля, не возникает неустойчивость в виде выступов и впадин.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты экспериментального исследования магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического распыления: размер частиц, их заряд и скорость движения в электрическом поле.
2. Результаты экспериментального исследования струйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях, показавшие влияние концентрации дисперсной фазы на величину тока и расхода жидкости в струе и позволившие выбрать оптимальный диапазон концентраций дисперсной фазы (ф=0,14^0,16) для ее использования в индукционных электронейтрализаторах.
3. Результаты экспериментального исследования квазистационарной межэлектродной перемычки, возникающей вследствие неустойчивости свобод¬ной поверхности магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях.
4. Результаты экспериментального исследования неустойчивости свободной поверхности магнитной жидкости, позволившие определить критическое значение концентрации дисперсной фазы
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. (г. Плес, 2000г), Региональных научно-технических конференциях “Вузовская наука- Северо-Кавказскому региону” (Ставрополь, 2001г.), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001г.), I Российской научно-технической конференции “Физико¬технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе” (Ставрополь, 2001г.), 9-й Международной конференции по магнитным жидкостям (Бремен, 2001г.).
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Диссертация содержит страниц текста, без приложения, 1 таблицу, 59 рисунков, список литературы состоит из 126 наименований. Приложение содержит 8 таблиц экспериментальных результатов.
В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, содержащий информацию о свойствах магнитных жидкостей и ее применении в электротехнических устройствах. В обзоре рассмотрены исследования электрофизических свойств магнитных жидкостей, поведения ее свободной поверхности в электрическом и магнитном полях. Показана необходимость и обоснована актуальность экспериментального исследования свойств магнитодиэлектрической жидкости как среды, обладающей одновременно диэлектрическими и магнитными свойствами. Проведен анализ работ,
Во второй главе поставлена задача исследования, описаны экспериментальные установки для исследования: магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического распыления; неустойчивости свободной поверхности магнитодиэлектрического коллоида в электрическом и магнитном полях; показаны формы использующихся электродов. Подробно описаны методики определения вольт-амперных зависимостей струйного течения и межэлектродной перемычки, высоты конического выступа при различных начальных условиях, массо- и зарядопереноса при струйном течении жидкости, определения сопротивления перемычки. Заключительный параграф посвящен оценке и учету погрешностей экспериментальных измерений.
Третья глава посвящена исследованию каплеструйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях. Теоретически определено и экспериментально подтверждено значение заряда частицы. Экспериментально определен средний размер частиц магнитного аэрозоля, возникающего при электростатическом распылении магнитной жидкости и их скорость движения в электрическом поле. Приведены экспериментально полученные вольт-амперные зависимости струйного течения магнитодиэлектрического коллоида для разных значений индукции магнитного поля и концентрации дисперсной фазы. Показана возможность создания при некоторых начальных условиях квазистационарной межэлектродной магнитожидкостной перемычки. Представлены динамика возникновения, вольт-амперные зависимости, результаты измерений геометрических параметров перемычки от различных внешних факторов. Здесь же содержатся результаты экспериментального исследования периодического изменения диаметра перемычки при постоянстве напряженности электрического и индукции магнитного полей.
Приведен качественный анализ наблюдаемых явлений, приведены амперо-временная зависимость, зависимость периода колебаний от межэлектродной разности потенциалов.
Четвертый параграф третьей главы содержит результаты экспериментального и теоретического определения критического значения концентрации дисперсной фазы магнитной жидкости, ниже которого на его поверхности независимо от индукции магнитного поля не возникает неустойчивость в виде совокупности выступов и впадин. В нем же содержатся результаты экс-периментального определения порогового значения индукции магнитного поля, при котором возникает неустойчивость на свободной поверхности магнитодиэлектрического коллоида для различных толщин слоев магнитной жидкости и начальном значении межэлектродной разности потенциалов.
Четвертая глава посвящена применению эффекта неустойчивости свободной поверхности в электротехнических устройствах. Описано устройство для бесконтактного определения электростатической безопасности объектов, пояснен принцип его работы и методика проведения измерений. Предложено использование межэлектродной перемычки в качестве высокоомного управляемого сопротивления; на основании полученных экспериментальных данных сформулированы пути усовершенствования магнитожидкостного индукционного струйного электронейтрализатора.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы
1. Экспериментально определены средние размер (6-8 мкм) и заряд (1,5-10-16Кл) капли магнитного аэрозоля, полученного методом электро¬статического распыления. Определена скорость движения заряженных частиц аэрозоля в электрическом поле.
2. На основе экспериментально полученных вольт-амперных зависимостей струйного течения магнитной жидкости для различных концентраций дисперсной фазы, индукции магнитного поля, установлен оптимальный диапазон концентраций частиц коллоида (ф=0,14^0,16) при ее использовании в устройствах нейтрализации статического электричества.
3. Экспериментально получены результаты массо- и зарядопереноса при струйном течении магнитной жидкости, определена скорость движения жидкости в струе. Сравнение Максвелл-Вагнеровского времени релаксации заряда и времени нахождения удельного объема жидкости в электрическом поле при струйном течении позволили сделать вывод о преимущественном переносе заряда по поверхности струи.
4. Обнаружено и экспериментально исследовано явление неустойчивости свободной поверхности в виде магнитожидкостной межэлектродной перемычки. Получены вольт-амперные характеристики, и зависимости линейных размеров перемычки от приложенного напряжения, при различных значениях концентрации дисперсной фазы, индукции магнитного поля и межэлектродного расстояния. На основе сопоставления величин общего тока через перемычку и тока проводимости предположено наличие конвективного движения жидкости в перемычке, что подтверждено после¬дующими визуальными наблюдениями.
5. Обнаружен и экспериментально исследован процесс периодического изменения диаметра перемычки в приэлектродной области для жидкости с объемной концентрацией ф=0,19. Получены амперо-временные зависимости, зависимости периода колебаний от межэлектродного напряжения. Пред¬ложен механизм наблюдаемого явления.
6. Установлено критическое значение объемной концентрации частиц дисперсной фазы магнитодиэлектрического коллоида фкр=0,03, ниже которого невозможно возникновение неустойчивости на свободной поверхности коллоида в магнитном поле, представляющей совокупность выступов и впадин. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показало необходимость учета немагнитной оболочки олеата феррита на поверхности частицы при определении намагниченности насыщения коллоида.
7. Предложено устройство для бесконтактного определения электростатической безопасности объектов, основанное на линейной зависимости высоты конического выступа на поверхности магнитодиэлектрического коллоида от межэлектродной разности потенциалов. Экспериментально подтверждено, что устройство обеспечивает бесконтактный, взрыво- и пожаробезопасный способ определения потенциала на исследуемом объекте и запаса его электрической прочности.
8. Предложено использование магнитожидкостной перемычки в качестве высокоомного управляемого сопротивления с диапазоном значений R160:1600 МОм.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
