Помощь студентам в учебе
Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при ее взаимодействии с электрическим и магнитным полями
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
1.1. Общие сведения о магнитных коллоидах 11
1.2. Структурные превращения в магнитных жидкостях и обусловленные ими оптические эффекты 16
1.3 Электрофизические свойства магнитной жидкости 30
1.4 Особенности реологических и теплофизических свойств магнитной жидкости, связанные с их структурой 35
1.5 Немагнитные включения в магнитной жидкости 41
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
2.1. Объект исследования 48
2.2. Методика исследования структуры магнитной жидкости 52
2.3. Методика и техника реологических исследований магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях 58
2.4. Методика и техника исследования теплопроводности магнитных жидкостей 62
2.5. Методика исследования магнитных свойств магнитной жидкости 65
ГЛАВА 3. СТРУКТУРНОЕ И МАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ.
3.1. Эффекты деформации микрокапельных агрегатов в магнитной жидкости при воздействии сдвиговых напряжений, магнитного и электрического полей 68
3.2. Структура и особенности реологических свойств магнитной жидкости в электрическом поле 86
3.3. Эффекты структурообразования и особенности процесса переноса заряда в тонких слоях магнитной жидкости 96
3
3.4. Структурные превращения и магнитное упорядочение в магнитной
жидкости 105
ГЛАВА 4. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ
МЕЛКОДИСПЕРСНОГО НЕМАГНИТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ В
МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ.
4.1. Особенности взаимодействия и ориентации немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном поле 119
4.2. Особенности взаимодействия и ориентации немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях 129
4.3. Особенности теплопроводности магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
1.1. Общие сведения о магнитных коллоидах 11
1.2. Структурные превращения в магнитных жидкостях и обусловленные ими оптические эффекты 16
1.3 Электрофизические свойства магнитной жидкости 30
1.4 Особенности реологических и теплофизических свойств магнитной жидкости, связанные с их структурой 35
1.5 Немагнитные включения в магнитной жидкости 41
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
2.1. Объект исследования 48
2.2. Методика исследования структуры магнитной жидкости 52
2.3. Методика и техника реологических исследований магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях 58
2.4. Методика и техника исследования теплопроводности магнитных жидкостей 62
2.5. Методика исследования магнитных свойств магнитной жидкости 65
ГЛАВА 3. СТРУКТУРНОЕ И МАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ.
3.1. Эффекты деформации микрокапельных агрегатов в магнитной жидкости при воздействии сдвиговых напряжений, магнитного и электрического полей 68
3.2. Структура и особенности реологических свойств магнитной жидкости в электрическом поле 86
3.3. Эффекты структурообразования и особенности процесса переноса заряда в тонких слоях магнитной жидкости 96
3
3.4. Структурные превращения и магнитное упорядочение в магнитной
жидкости 105
ГЛАВА 4. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ
МЕЛКОДИСПЕРСНОГО НЕМАГНИТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ В
МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ.
4.1. Особенности взаимодействия и ориентации немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном поле 119
4.2. Особенности взаимодействия и ориентации немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях 129
4.3. Особенности теплопроводности магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
Актуальность проблемы. Магнитные жидкости (МЖ), представляющие собой коллоиды ферри- и ферромагнетиков, проявляют ряд интересных эффектов при взаимодействии с электромагнитным полем. Уникальность свойств таких жидких намагничивающих сред открыла возможности их применения в машиностроении, технике и медицине. Благодаря этому, исследованию магнитных жидкостей уделено достаточно большое внимание как со стороны отечественных, так и зарубежных ученых.
Физические свойства МЖ во многом определяются взаимодействием частиц и происходящими в результате этого (а также при взаимодействии с внешними полями) структурными превращениями в таких средах. В настоящее время некоторые свойства магнитных жидкостей считаются хорошо изученными (магнитные, реологические, оптические и др.). Вместе с тем, исследование особенностей взаимодействия МЖ с электрическим и с совместно действующими электрическим и магнитным полями, связанной с этим взаимодействием структурной организации коллоидных частиц требует дальнейшего развития. В реальных условиях, при применении магнитных жидкостей в технике, их структурное состояние, обусловленное действием магнитного и электрического полей, может претерпевать существенные изменения за счет действия сдвиговых деформаций и течений. Эти процессы необходимо учитывать как для прогнозирования работоспособности уже известных устройств, так и при проектировании новых. Однако эти вопросы остаются неисследованными. В последнее время предпринимаются попытки создания новых жидких композиционных намагничивающихся сред на основе МЖ. В частности, к таким системам относятся магнитные жидкости с немагнитным мелкодисперсным наполнителем. В магнитном и электрическом полях происходит ориентация и объединение частиц немагнитного наполнителя в структурные образования анизотропной формы, наличие которых может приводить к ряду особенностей физических свойств
5
таких сред. Все это позволяет заключить, что в настоящее время актуальными являются исследования структурной организации коллоидных частиц в магнитных жидкостях при воздействии на них электрического и магнитного полей, структурные превращения при воздействии сдвиговых напряжений и их влияние на реологические и электрические свойства таких сред. Кроме того, представляет также интерес исследование структурной организации частиц немагнитного наполнителя в МЖ, связанных с ней особенностей физических свойств жидких намагничивающихся композиционных сред, созданных на основе магнитных жидкостей.
Целью настоящей работы является изучение эффектов, обусловленных структурной организацией коллоидных частиц и микрочастиц немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при ее взаимодействии с электрическим и магнитным полями.
В соответствии с целью работы, были поставлены следующие задачи:
- изучение особенностей деформации микрокапельных агрегатов при совместном воздействии на них магнитного поля и вязких напряжений, исследование влияния этих процессов на вязкость и оптические свойства магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой;
- исследование процессов образования структурных решеток в тонких слоях магнитной жидкости в электрическом поле и их трансформации в поле сил тяжести и под воздействием сдвиговых течений, установление влияния подобных структурных превращений на реологические свойства магнитных жидкостей;
- изучение дифракционных явлений, обусловленных возникновением структурных решеток, как в переменном, так и в постоянном электрическом полях, с целью выяснения возможности управления такими регулярными структурами путем дополнительного воздействия магнитным полем и сдвиговым течением;
- проведение на основе результатов экспериментальных исследований анализа причин и механизмов возникновения структурных образований в
6
магнитных жидкостях при воздействии электрического поля, а также при его отсутствии, выяснение возможности магнитного упорядочения однодоменных частиц в образующихся агрегатах;
- исследование структурной организации немагнитных частиц различной формы, помещенных в магнитную жидкость и обусловленных ею особенностей физических свойств (светорассеяния и теплопроводности) тонких слоев таких систем.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Впервые изучены особенности ориентации деформированных магнитным полем микрокапельных агрегатов в плоском течении. Обнаружено, что в этом случае, при определенных условиях, наблюдается их упорядоченное расположение в виде структурной регулярной решетки. Показана зависимость вязкости магнитной жидкости с микрокапельной структурой от величины и направления постоянного магнитного поля, обусловленная деформацией микрокапельных агрегатов.
Экспериментально показана и теоретически обоснована зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением при некотором критическом значении напряженности электрического поля структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся в потоке в полосовую структуру.
Впервые обнаружено магнитное упорядочение в агрегатах магнитной жидкости, возникающих при избытке поверхностно-активного вещества. На основе моделирования процесса межчастичного взаимодействия путем построения потенциальных кривых взаимодействия системы двух частиц, проведен анализ причин и механизмов структурообразования магнитной жидкости в случае избытка ПАВ в электрическом поле и при его отсутствии.
На основе результатов экспериментальных исследований показана возможность управления структурной организацией помещенного в магнитную жидкость ансамбля немагнитных частиц различной формы с помощью одновременного воздействия электрическим и магнитным полем.
7
Обнаружено возникновение анизотропии светорассеяния и теплопроводности в таких системах при воздействии на них магнитного поля.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Всероссийских научных конференциях.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования структурной организации дисперсных частиц магнитных коллоидов при совместном действии электрических, магнитных полей и сдвиговых течений, а также процессов структурного упорядочения немагнитых включений, помещенных в магнитные жидкости при воздействии электрических и магнитных полей внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем жидких намагничивающихся сред.
Физические свойства МЖ во многом определяются взаимодействием частиц и происходящими в результате этого (а также при взаимодействии с внешними полями) структурными превращениями в таких средах. В настоящее время некоторые свойства магнитных жидкостей считаются хорошо изученными (магнитные, реологические, оптические и др.). Вместе с тем, исследование особенностей взаимодействия МЖ с электрическим и с совместно действующими электрическим и магнитным полями, связанной с этим взаимодействием структурной организации коллоидных частиц требует дальнейшего развития. В реальных условиях, при применении магнитных жидкостей в технике, их структурное состояние, обусловленное действием магнитного и электрического полей, может претерпевать существенные изменения за счет действия сдвиговых деформаций и течений. Эти процессы необходимо учитывать как для прогнозирования работоспособности уже известных устройств, так и при проектировании новых. Однако эти вопросы остаются неисследованными. В последнее время предпринимаются попытки создания новых жидких композиционных намагничивающихся сред на основе МЖ. В частности, к таким системам относятся магнитные жидкости с немагнитным мелкодисперсным наполнителем. В магнитном и электрическом полях происходит ориентация и объединение частиц немагнитного наполнителя в структурные образования анизотропной формы, наличие которых может приводить к ряду особенностей физических свойств
5
таких сред. Все это позволяет заключить, что в настоящее время актуальными являются исследования структурной организации коллоидных частиц в магнитных жидкостях при воздействии на них электрического и магнитного полей, структурные превращения при воздействии сдвиговых напряжений и их влияние на реологические и электрические свойства таких сред. Кроме того, представляет также интерес исследование структурной организации частиц немагнитного наполнителя в МЖ, связанных с ней особенностей физических свойств жидких намагничивающихся композиционных сред, созданных на основе магнитных жидкостей.
Целью настоящей работы является изучение эффектов, обусловленных структурной организацией коллоидных частиц и микрочастиц немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при ее взаимодействии с электрическим и магнитным полями.
В соответствии с целью работы, были поставлены следующие задачи:
- изучение особенностей деформации микрокапельных агрегатов при совместном воздействии на них магнитного поля и вязких напряжений, исследование влияния этих процессов на вязкость и оптические свойства магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой;
- исследование процессов образования структурных решеток в тонких слоях магнитной жидкости в электрическом поле и их трансформации в поле сил тяжести и под воздействием сдвиговых течений, установление влияния подобных структурных превращений на реологические свойства магнитных жидкостей;
- изучение дифракционных явлений, обусловленных возникновением структурных решеток, как в переменном, так и в постоянном электрическом полях, с целью выяснения возможности управления такими регулярными структурами путем дополнительного воздействия магнитным полем и сдвиговым течением;
- проведение на основе результатов экспериментальных исследований анализа причин и механизмов возникновения структурных образований в
6
магнитных жидкостях при воздействии электрического поля, а также при его отсутствии, выяснение возможности магнитного упорядочения однодоменных частиц в образующихся агрегатах;
- исследование структурной организации немагнитных частиц различной формы, помещенных в магнитную жидкость и обусловленных ею особенностей физических свойств (светорассеяния и теплопроводности) тонких слоев таких систем.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Впервые изучены особенности ориентации деформированных магнитным полем микрокапельных агрегатов в плоском течении. Обнаружено, что в этом случае, при определенных условиях, наблюдается их упорядоченное расположение в виде структурной регулярной решетки. Показана зависимость вязкости магнитной жидкости с микрокапельной структурой от величины и направления постоянного магнитного поля, обусловленная деформацией микрокапельных агрегатов.
Экспериментально показана и теоретически обоснована зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением при некотором критическом значении напряженности электрического поля структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся в потоке в полосовую структуру.
Впервые обнаружено магнитное упорядочение в агрегатах магнитной жидкости, возникающих при избытке поверхностно-активного вещества. На основе моделирования процесса межчастичного взаимодействия путем построения потенциальных кривых взаимодействия системы двух частиц, проведен анализ причин и механизмов структурообразования магнитной жидкости в случае избытка ПАВ в электрическом поле и при его отсутствии.
На основе результатов экспериментальных исследований показана возможность управления структурной организацией помещенного в магнитную жидкость ансамбля немагнитных частиц различной формы с помощью одновременного воздействия электрическим и магнитным полем.
7
Обнаружено возникновение анизотропии светорассеяния и теплопроводности в таких системах при воздействии на них магнитного поля.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Всероссийских научных конференциях.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования структурной организации дисперсных частиц магнитных коллоидов при совместном действии электрических, магнитных полей и сдвиговых течений, а также процессов структурного упорядочения немагнитых включений, помещенных в магнитные жидкости при воздействии электрических и магнитных полей внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем жидких намагничивающихся сред.
В заключение сформулируем основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Изучены особенности деформации микрокапельных агрегатов при совместном действии на них магнитного поля и вязких напряжений, показано, что эти процессы приводят к особенностям дифракционного светорассеяния и изменению вязкости магнитной жидкости с микрокапельной структурой. На основе теоретического анализа поведения деформированных капельных агрегатов в потоке и результатов наблюдений обнаруженных дифракционных эффектов, сделан вывод о возможности образования при этих условиях регулярной структуры.
2. Экспериментально показана и теоретически обоснована зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением при некотором критическом значении напряженности электрического поля структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся в потоке в полосовую структуру.
3. Обнаружено магнитное упорядочение в агрегатах магнитной жидкости, образующихся при избыточном содержании ПАВ. На основе моделирования процесса межчастичного взаимодействия путем построения потенциальных кривых взаимодействия системы двух частиц проведен анализ причин и механизмов структурообразования магнитной жидкости в случае избытка ПАВ в электрическом поле и при его отсутствии. Сделан вывод, что при отсутствии электрического поля возникновение агрегатов может быть объяснено на основе явления вытеснительной флокуляции, тогда как появление микрокапельной структуры с последующим образованием структурных решеток при воздействии электрического поля может быть связано с фазовым расслоением системы.
4. На основе результатов исследования дифракционных эффектов, наблюдающихся при пропускании луча лазера через тонкие слои магнитной
145
жидкости, показана возможность управления характером структурных решеток, возникающих в магнитной жидкости в постоянном и переменном электрическом поле путем дополнительного воздействия магнитным полем и сдвиговым течением.
5. Изучены особенности структурной организации системы дисперсных немагнитных частиц, помещенных в магнитную жидкость, подверженную действию магнитного и электрического полей. При этом в качестве такого дисперсного наполнителя использовались частицы различной формы - сферические, цилиндрические, а также бесформенные частицы графитовой пыли. Кроме того, рассмотрено структурообразование жидких (глицериновых) микрокапель, распыленных в магнитной жидкости. Проведен анализ механизмов взаимодействия частиц немагнитного наполнителя и ориентации образовавшихся структур под воздействием магнитного и электрического полей. Предложено объяснение особенностей возникающих в этом случае дифракционных эффектов.
6. Установлено, что действие однородного магнитного поля на магнитную жидкость с дисперсным немагнитным наполнителем (графитовыми частицами микронных размеров) приводит к существенной анизотропии коэффициента теплопроводности - различие коэффициента теплопроводности в направлении, совпадающем с вектором напряженности поля и перпендикулярном ему может достигать 25 %. Анализ обнаруженного эффекта сделан на основе представлений о возникновении структурной анизотропии в такой среде за счет структурной организации в магнитном поле частиц немагнитного наполнителя.
1. Изучены особенности деформации микрокапельных агрегатов при совместном действии на них магнитного поля и вязких напряжений, показано, что эти процессы приводят к особенностям дифракционного светорассеяния и изменению вязкости магнитной жидкости с микрокапельной структурой. На основе теоретического анализа поведения деформированных капельных агрегатов в потоке и результатов наблюдений обнаруженных дифракционных эффектов, сделан вывод о возможности образования при этих условиях регулярной структуры.
2. Экспериментально показана и теоретически обоснована зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением при некотором критическом значении напряженности электрического поля структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся в потоке в полосовую структуру.
3. Обнаружено магнитное упорядочение в агрегатах магнитной жидкости, образующихся при избыточном содержании ПАВ. На основе моделирования процесса межчастичного взаимодействия путем построения потенциальных кривых взаимодействия системы двух частиц проведен анализ причин и механизмов структурообразования магнитной жидкости в случае избытка ПАВ в электрическом поле и при его отсутствии. Сделан вывод, что при отсутствии электрического поля возникновение агрегатов может быть объяснено на основе явления вытеснительной флокуляции, тогда как появление микрокапельной структуры с последующим образованием структурных решеток при воздействии электрического поля может быть связано с фазовым расслоением системы.
4. На основе результатов исследования дифракционных эффектов, наблюдающихся при пропускании луча лазера через тонкие слои магнитной
145
жидкости, показана возможность управления характером структурных решеток, возникающих в магнитной жидкости в постоянном и переменном электрическом поле путем дополнительного воздействия магнитным полем и сдвиговым течением.
5. Изучены особенности структурной организации системы дисперсных немагнитных частиц, помещенных в магнитную жидкость, подверженную действию магнитного и электрического полей. При этом в качестве такого дисперсного наполнителя использовались частицы различной формы - сферические, цилиндрические, а также бесформенные частицы графитовой пыли. Кроме того, рассмотрено структурообразование жидких (глицериновых) микрокапель, распыленных в магнитной жидкости. Проведен анализ механизмов взаимодействия частиц немагнитного наполнителя и ориентации образовавшихся структур под воздействием магнитного и электрического полей. Предложено объяснение особенностей возникающих в этом случае дифракционных эффектов.
6. Установлено, что действие однородного магнитного поля на магнитную жидкость с дисперсным немагнитным наполнителем (графитовыми частицами микронных размеров) приводит к существенной анизотропии коэффициента теплопроводности - различие коэффициента теплопроводности в направлении, совпадающем с вектором напряженности поля и перпендикулярном ему может достигать 25 %. Анализ обнаруженного эффекта сделан на основе представлений о возникновении структурной анизотропии в такой среде за счет структурной организации в магнитном поле частиц немагнитного наполнителя.