Помощь студентам в учебе
Каплеструйное движение магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях
|
Введение 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
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 параметры 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 свободной 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
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
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 параметры 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 свободной 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
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 микроустройств (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 внешних 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 ИМЭ=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 амперовременные 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 магнит¬ной 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.
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 микроустройств (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 внешних 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 ИМЭ=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 амперовременные 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 магнит¬ной 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.
В заключении сформулируем основные результаты диссертационной
работы.
1. Экспериментально определены средние размер (6-8 мкм) и заряд (1,5-10-16 Кл) капли магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического 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. Полученны вольт-амперные характеристики, и зависимости линей¬ных 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 последующими 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. Предложен 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.
работы.
1. Экспериментально определены средние размер (6-8 мкм) и заряд (1,5-10-16 Кл) капли магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического 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. Полученны вольт-амперные характеристики, и зависимости линей¬ных 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 последующими 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. Предложен 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.