2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5
ГЛАВА 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКИХ КАПЕЛЬ С ВНЕШНИМИ ПОЛЯМИ...................................... 21
1.1 Фигуры равновесия диэлектрических капель во внешних полях ... 21
1.2 Фигуры равновесия капель магнитных жидкостей в магнитных
полях..................................................... 27
1.3 Межфазные явления на границе раздела магнитная жидкость - 35
немагнитная среда......................................
1.4 Агрегативная устойчивость магнитных жидкостей...... 39
1.5 Процессы структурообразования в слое магнитной жидкости... 51
ГЛАВА 2, РАВНОВЕСНЫЕ ФОРМЫ И УСТОЙЧИВОСТЬ НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ КАПЕЛЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ............................................... 64
2.1 Объект и методики исследования ........................ 64
2.2 Экспериментальное исследование деформации капли магнитной
жидкости в электрическом и магнитном полях............. 73
2.3 Анализ деформации капли магнитной жидкости при одновременном действии на нее стационарных электрического и магнитного полей.............................................. 81
2.4 Влияние кинетических процессов в приповерхностном слое
капли на ее деформацию в электрическом поле................ 87
2.5. Взаимодействие капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным полем при действии дополнительного электрического (магнитного) полей......................................... 90
2.6 Экспериментальное исследование взаимодействия капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным при одновременном действии стационарного электрического (магнитного) полей........................................... 101
з
2.7. Взаимодействие капель магнитной жидкости в электрическом и
магнитном полях............................................... 118
ГЛАВА 3. КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ КАПЛИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ............................. 126
3.1 Описание экспериментальных установок...................... 127
3.2. Структурное упорядочивание приповерхностного слоя капли
магнитной жидкости в электрическом поле................... 132
3.3 Струкгурообразование в слое магнитной жидкости в слабых электрических полях...................................... 141
3.4 Образование динамических структур в слое магнитной жидкости
в сильных электрических полях............................... 147
3.5 Образование пространственно-временных структур в слое магнитной жидкости............................................... 152
3.6. Развитие структур в слое магнитной жидкости в постоянном и
переменном электрических полях................................ 158
3.7 Формирование структур при протекании в слое магнитной жидкости заданного постоянного тока............................ 168
ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАГНИ ТНОЙ ЖИДКОСТИ................................... 176
4.1 Вольтамперные и ампер-временные характеристики слом магнитной жидкости............................................... 176
4.2 Проводимость и емкость слоя магнитной жидкости............ 183
4.3 Диэлектрическая проницаемость слоя магнитной жидкости 192
4.4 Резонансные кривые и частотные характеристики управляемого колебательного контура со слоем магнитной жидкости в качестве активного диэлектрика емкостного элемента....................... 210
ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ КАПЕЛЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ............................................................ 221
5.1 Поверхностное натяжение магнитных жидкостей различного химического состава и концентрации твердой фазы............... 221
4
5.2 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения магнитной жидкости от напряженности магнитного и электрического полей 232
5.3 Истечение капель магнитной жидкости из отверстия в горизонтальной поверхности........................................... 241
5.4 Агрегативная устойчивость магнитной жидкости............... 251
5.5 Оптимизация состава эмульсий магнитных жидкостей............. 258
5.6 Движение капли магнитной жидкости в магнитном поле........... 267
5.7 Получение эмульсий магнитных жидкостей путем электрического
диспергирования.................................................. 274
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................... 279
ЛИТЕРАТУРА....................................................... 282
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы определяется интересом к исследованию многообразия процессов, происходящих в равновесных формах ограниченных объемов (каплях) жидкостей под действием внешних полей. Известным является тот факт, что свойства вещества в ограниченных объемах отличаются от свойств вещества в объеме из-за проявления размерных эффектов. Наглядное представление об изменении свойств жидкости при переходе ее из свободного состояния в приповерхностное можно получить, рассматривая каплю жидкости или се тонкий плоский слой. Диспергирование жидкости на капли, и поведение отдельных капель играет ведущую роль в технологиях нанесения покрытий, распыления топлива в двигателях, струйной печати, сепарации, капельного охлаждения и многих других. Разработаны принципиально новые эффективные электрокаплеструйные технологии для различных отраслей промышленности, исполнительным элементом которых является «управляемая» капля (органической или неорганической жидкости, капля эмульсии или суспензии биологических продуктов). Воздействуя на каплю, целенаправленно изменяют ее параметры и тем самым обеспечивают гибкость процесса управления. Несмотря на значительный интерес к рассматриваемой проблеме, до сих пор не найдено адекватного описания взаимодействия капель с внешними полями даже для простых ситуаций. Большая часть исследований проведена для капель идеально проводящих жидкостей или идеальных диэлектриков. Вместе с тем, свойства реальных жидкостей, тем более, коллоидных, могут существенно отличаться от модельных представлений. Эффективность управления динамикой капель коллоидов и, в частности, магнитных, определяется уровнем понимания закономерностей их взаимодействия с внешними полями. Особый интерес вызывает взаимодействие капель таких коллоидов, как магнитные жидкости (МЖ), с электрическим и магнитным полями. Искусственно созданные высокодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков — магнитные жидкости сочетают в себе магнит-
ные свойства в магнитном поле, свойства диэлектриков в электрическом поле и подвижность, характерную для классических жидкостей.
Относительный объем приповерхностных областей в каплях весьма значителен, поэтому взаимодействие капель с внешними электрическим и магнитным полями не может не зависеть от процессов, происходящих в приповерхностных областях. В настоящее время решены стационарные задачи о форме капли диэлектрика, учитывающие конвективный перенос заряда по ее поверхности в электрическом поле [1]. Между тем, теория и практика ставят задачу рассмотрения влияния динамических процессов, протекающих в приповерхностных слоях капель композиционных сред, на их деформацию и устойчивость в электрическом и магнитном полях. Моделирование деформации и устойчивости капель МЖ во внешних полях с анализом явлений, протекающих в приповерхностном слое, только начинается. Актуальность рассмотрения процессов, протекающих в объеме капли магнитной жидкости и ее приповерхностном слое, при взаимодействии с электрическими и магнитными полями заключается также в простоте и доступности экспериментальных исследований, высокой стабильности коллоида в отсутствии внешних воздействий и малом размере дисперсных частиц (-10 нм). Использование в данной работе магнитных жидкостей оправдано тем, что результаты, полученные для капель МЖ, остаются справедливыми как для известных магнитодиэлектрических коллоидов, композиционных сред, так и для вновь синтезируемых материалов с наноразмерными частицами. Вовлечение в рассмотрение коллективного поведения частиц твердой фазы в приповерхностном слое капли МЖ приводит к существенному расширению видения явлений на границе раздела фаз, обусловленных взаимодействием электрических, магнитных и поверхностных сил.
В данной диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1985 - 2009 годах. Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР по направлению 1.3 «Физика твердого тела», постановлением Госкомитета СССР по науке и технике N 678 от
21.12.83 г. «О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей», Комплексной программой Минвуза РСФСР на период до 1990г. по проблеме «Магнитные жидкости», ежегодными планами НИР СевКавГТУ.
Цель и задачи исследования: целью работы является установление взаимосвязи механизмов деформации, потери устойчивости и распада на отдельные фрагменты капель магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях с процессами структурообразования твердой фазы в приповерхностном слое капель.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучались гидростатические и гидродинамические ситуации, включающие истечение, деформацию и потерю устойчивости неподвижных и вращающихся капель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях с одновременным контролем параметров их формы и теоретическим анализом наблюдаемых явлений.
2. Осуществлялся поиск и анализ взаимосвязи процессов структурообразования твердой фазы в приповерхностном слое под действием постоянного и переменного электрических полей с параметрами деформируемой капли магнитной жидкости.
3. Выявлялись особенности электрофизических свойств приповерхностного слоя, обусловленные процессами образования в нем динамических структур под действием постоянного и переменного электрических полей.
4. Анализировались поверхностное и межфазное натяжения магнитных жидкостей различного химического состава и концентрации твердой фазы по фигурам равновесия капель во внешних полях.
5. Проводились усовершенствование известных и разработка новых практических применений капель магнитных жидкостей, основанных на управлении их параметрами в электрическом и магнитном полях.
• \
8
Научная новизна:
1. Впервые дан теоретический анализ и проведены экспериментальные исследования динамики изменения формы капли магнитной жидкости при одновременном воздействии на нее стационарных магнитного и электрического полей. Показано, что капля МЖ как в электрическом, так и в магнитном поле до определенных напряженностей принимает форму, близкую к вытянутому вдоль направления поля эллипсоиду вращения. Установлено увеличение деформации капли при совпадении направлений электрического и магнитного полей и достижение компенсации деформации, если поля направлены ортогонально. Обнаружено, что в электрическом поле критической напряженности капля МЖ теряет устойчивость, которая выражается в заострении концов капли и отделении от них дочерних капель. Оценено влияние коллинеарного и ортогонального магнитных полей на критическую напряженность электрического поля.
2. Обнаружено изменение формы капли, характера движения и порога устойчивости капли МЖ во вращающемся магнитном поле при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) поля, приводящее к переходу вращательного движения в колебательное относительно вектора напряженности электрического (магнитного) поля. Определено соотношение напряженностей полей при критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное.
3. Изучено взаимодействие капель МЖ, сформированных в агрегат, в зависимости от взаимных направлений и напряженностей электрического, магнитного полей, а также оси агрегата. Показано, что при изменении напряженностей и ориентации внешних полей капли могут как притягиваться, так и расталкиваться.
4. Рассмотрено влияние структурной организации дисперсной фазы приповерхностного слоя капли МЖ в электрическом поле на ее деформацию. Систематизированы типы структурных образований и их трансформация в зависимости от величины, времени воздействия приложенного напряжения и
толщины слоя МЖ, выявлены новые динамические структуры в виде вращающихся колец, вихрей, «больших» лабиринтов размером до 5 мм.
5. Впервые исследованы автоколебания постоянного напряжения на электродах ячейки со слоем МЖ, возникающие при протекании в ной постоянною тока, задаваемого внешним источником тока. Показано, что возникновение и прекращение автоколебаний сопровождается изменением структурной организации приповерхностного слоя.
6. Установлено, что слой магнитной жидкости при наличии в нем структурных образований представляет как в постоянном, так и в низкочастотном переменном электрическом поле активную нелинейную среду, свойства которой зависят от толщины слоя; при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного электрических полей он может проявлять свойства как линейного, так и нелинейного элемента в зависимости от величины постоянного напряжения, амплитуды и частоты переменного напряжения.
7. Обнаружены особенности электрофизических свойств структурированного
слоя МЖ, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного напряжений может принимать отрицательное значение.
8. Экспериментально получены данные по поверхностному натяжению магнитных жидкостей и обнаружено, что коэффициент поверхностного натяжения МЖ зависит от их химического состава, концентрации твердой фазы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля И < 10 к А/м.
9. Проведены оценки формы и объема свободной невесомой капли, а также капли, истекающей из отверстия, в магнитном поле, получены количественные оценки отклонения формы свободной капли от эллипсоида
10
вращения, обнаружено изменение объема истекающей из отверстия капли МЖ при изменении напряженности воздействующего магнитного ноля.
10. При использовании слоя магнитной жидкости в качестве активного диэлектрика емкостного элемента последовательного колебательного контура показана возможность управления резонансным током и добротностью контура путем изменения напряженности постоянного электрического или магнитного полей.
11. Разработан электрический способ диспергирования МЖ, позволяющий синтезировать эмульсии на основе магнитной жидкости с высокой концентрацией дисперсной фазы и, таким образом, повысить чувствительность эмульсии к магнитному полю. Оптимизирован состав магнитных эмульсий, использующихся в технике магнитной записи и дефектоскопии.
Достоверность:
достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Основным экспериментальным методом является визуализация и контроль процессов взаимодействия капель МЖ с внешними полями, а также процессов структурообразования в приповерхностном слое капель МЖ при помощи современных методов цифровой фотографии и видеозаписи, компьютерной обработки экспериментальных данных. Короткие времена экспозиции и использование для наблюдений современных видеокамер позволяют наблюдать детали процессов с высоким временным и пространственным разрешением. В работе использованы только устойчивые высокоднсперсные образцы магнитной ж'идкости. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния, электрофизики и физики магнитных явлений; согласуются с накопленным опытом исследования капель магнитных и диэлектрических жидкостей. Основные результа-
/
11
ты и сделанные выводы многократно доложены и обсуждены на Международных, Российских и других научных конференциях.
Область применения результатов:
1. Проведенные исследования закономерностей устойчивого и неустойчивого состояния капель магнитной жидкости могут быть использованы для объяснения процессов, реализующихся на границе раздела несмешивающих-ся жидкостей, то есть в ситуациях, часто встречающейся в физике конденсированного состояния, коллоидной химии и химической технологии. Трактовка явлений неустойчивости полезна при электростатическом распылении инсектицидов и топлив, получении порошков тугоплавких металлов.
2. С процессами образования динамических структур и реализацией неустойчивого состояния приходится сталкиваться при анализе грозовых явлений, града, воронок, смерчей, огней св. Эльма, плоских молний, торнадо и других явлений. Именно эти давно известные, но до сих пор полностью не осмысленные на физическом уровне природные феномены служат одной из причин интереса к возможности моделирования аналогичных процессов в лабораторных условиях.
3. Практическую значимость имеют предложенный электрический способ диспергирования эмульгированных капель МЖ (А.с.[33]) и результаты оптимизации состава эмульсий магнитных жидкостей для дефектоскопии (А.с.[34, 37]).
4. Полученные результаты используются в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов кафедры Теоретической и общей электротехники СевКавГТУ, в учебном процессе при изучении дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Техника высоких напряжений», курсов по выбору.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретического анализа и экспериментального исследования деформации и устойчивости капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них электрического и магнитного полей. Обнаружен-
12
ную потерю устойчивости капель магнитной жидкости в электрическом поле и влияние на нее магнитного поля, направленного коллинеарно и ортогонально электрическому полю. Положение о трансформации капли из трехосного эллипсоида в эллипсоид вращения при ортогонально направленных электрическом и магнитном полях и вывод условий трансформации.
2. Экспериментальное подтверждение модели взаимодействия капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным полем при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) полей. Положение о критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное относительно вектора напряженности стационарного электрического (магнитного) поля и определение его условий.
3. Результаты экспериментального исследования взаимодействия капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них стационарных элекгрического и магнитного полей, демонстрирующие отталкивание или притяжение капель в зависимости от взаимных направлений оси агрегата, векторов электрического и магнитного полей.
4. Связь деформации капли магнитной жидкости с образованием динамических структур в ее приповерхностном слое и их трансформацией при изменении напряженности постоянного поля, времени его воздействия, а также толщины слоя. Выявленные закономерности динамики структурных образований дисперсной фазы магнитной жидкости в слое и новые типы структур, образующиеся в постоянном электрическом поле, а также при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного полей. Изменение структурных образований в зависимости от плотности задаваемого постоянного тока, протекающего через слой магнитной жидкости, в режиме автоколебаний постоянного напряжения.
5. Положение о1 том, что при наличии структурных образований приповерхностный слой МЖ представляет как в постоянном, так и в переменном низкочастотном электрическом поле активный нелинейный элемент; при одновременном воздействии постоянного и низкочастотного переменного элек-
трических нолей слой МЖ в зависимости от напряженнос ти постоянного поля, амплитуды и частоты переменного поля проявляет свойства как линейного, так и нелинейного элемента.
6. Особенности электрофизических свойств структурированного приповерхностного слоя, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии на него постоянным и переменным низкочастотным электрическими полями в зависимости от соотношения напряженностей полей может принимать как положительное, так и отрицательное значение.
7. Экспериментально установленные зависимости коэффициента поверхностного натяжения магнитных жидкостей различного химического состава от концентрации твердой фазы в жидкости-носителе. Положение о независимости коэффициента поверхностного натяжения МЖ от напряженности магнитного ноля И < 10 кА/м. Результаты анализа истечения капли МЖ из отверстия в горизонтальной плоскости, показывающие изменение ее формы и объема в зависимости от направления и напряженности воздействующего магнитного поля.
8. Использование слоя МЖ в качестве активного диэлектрика емкостного элемента электрического колебательного контура, резонансные характеристики которого регулируются постоянным электрическим или магнитным
ПОЛЯМИ.
9. Способ электрического диспергирования капель МЖ и устройство для его реализации, позволяющие эмульгировать магнитные жидкости, плотность которых в 1,4... 1,6 раз превышает плотность воды, и получать устойчивую эмульсию, которая обладает повышенной чувствительностью к магнитному полю.
Апробация работы: проводилась на Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 1985, 1988, 1996, 2000); Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1987, 1990); Всесоюзном совещании по
14
физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988) Международных конференциях по магнитным жидкостям (Riga, 1989, 1995; Paris, 1992; Bremen, 2001; Delhi, 2003; Плес, 2002, 2004, 2006, 2008); III Конференции по применению магнитных жидкостей в биологии и медицине (Сухуми, 1989), Научно-методических конференциях «Университетская наука-региону» (Ставрополь, 1997, 1998, 2004, 2005); XXIX научно-технической конференции (Ставрополь, 1999); Российской научно-практическая конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2001); XXX — XXXVI научно-технических конференциях СевКавГТУ (Ставрополь, 2002 -2008); VII Международной конференции "Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей" (Санкт-Петербург, 2003); III International Conference Fundamental Problems of Physics (Казань, 2005); IV Международной научно-практическая конференция "Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике" (Новочеркасск, 2005); II Международной научно-практической конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской научной конференции "Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных напосистем" (Ставрополь, 2007), XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009).
Основные результаты изложены в 54 публикациях, в том числе в 16 реферируемых работах из перечня изданий ВАК РФ:
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 312 страниц, из них 141 рисунок, 10 таблиц; список цитируемой литературы состоит из 303 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
15
В первой главе приведен обзор и анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию статических и динамических процессов в ограниченных объемах жидкостей (каплях) при внешних воздействиях. Описаны процессы взаимодействия диэлектрических капель с электрическими полями и магнитных капель с магнитными полями. Рассмотрены работы, посвященные изучению поверхностных и межфазных явлений на границе раздела коллоидных, в том числе магнитных, сред.
Во второй главе описан объект исследования — капли магнитной жидкости и установки для изучения взаимодействия капель МЖ со стационарными электрическим и магнитным полями, с вращающимся магнитным полем, а также с полями, представляющими суперпозицию указанных полей. Показано, что капля магнитной жидкости, как в электрическом, так и магнитном полях до определенных напряженностей принимает форму, близкую к эллипсоиду вращения. В электрическом поле критической напряженности возникает неустойчивость поверхности капли, выражающаяся в заострении ее концов и эмиссии дочерних капель из вершин. Теоретически показано, что в коллинеарных электрическом и магнитном полях деформация капли соответствует суперпозиции деформаций в каждом из полей, в ортогональных - может происходить трансформации формы капли. Экспериментально определенная деформация капли МЖ в коллинеарных электрическом и магнитном полях соответствует суперпозиции деформаций в каждом из них только в слабых полях, при повышении напряженностей магнитного поля до Я ~4 кА/м и электрического поля до Е ~ 70 кВ/м экспериментально измеренная деформация капли превышает расчетную. Различия в теоретической и реальной деформациях капли в сильных электрических полях связано со структурообразованием в приповерхностном слое капли, а также накоплением заряда на поверхности раздела и его конвективным переносом по поверхности капли Повышение разности потенциалов с последующим его понижением сопровождается гистерезисом деформации капли.
I
При взаимодействии капли МЖ с вращающимся магнитным полем, она участвует в простом вынужденном движении. Длинная ось капли вращается с угловой скоростью (О — 27ГУ, отставая от вектора напряженности на некоторый угол а. Наличие дополнительного стационарного электрического Есг (или магнитного поля #гг)> вектор напряженности которого ориентирован в плоскости вращения вектора вращающегося магнитного ноля IIв р, приводит к изменению характера взаимодействия капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным полем: изменению формы, колебанию эксцентриситета и угла отставания а во времени, изменению порога устойчивости капли по отношению к разрыву, переходу вращательного движения в колебательное движение относительно вектора Ест (Нет)- Изучено взаимодействие капель МЖ, сформированных в агрегат, приводящее, в зависимости от взаимных направлений и величины электрического, магнитного полей, а также оси агрегата, к их притяжению или расталкиванию.
Б третьей главе рассмотрены процессы структурообразования, протекающие в приповерхностном слое капли МЖ в переменных электрических полях, постоянных полях напряженностью Е < 2000 кВ/м, а также при одновременном действии постоянного и переменного полей. Проведен теоретический анализ структурообразования в приповерхностном слое капли. Экспериментально установлено, что наблюдаемые в слое структуры представляют области повышенной концентрацией частиц твердой фазы, их типы и размеры изменяются в зависимости от величины и времени воздействия постоянного поля. Рассмотрено образование пространственно-временных структур при пороговых напряженностях, соответствующих трансформации типов структур. Установлено, что при повторных воздействиях постоянного поля в слое МЖ наблюдаются динамические структуры, отличные от структур, наблюдаемых при первичном воздействии. В зависимости от постоянного напряжения £7/7 в слое МЖ образуются следующие типы структур:
• <11 12В — формируется ячеистая структура.
• Уц> 11...12 В — в течение ~ 5 минут формируется новая, не наблюдаемая
ранее структура в виде вращающихся колец, размер которых увеличивается в течение 30 минут.
• I/// > 17... 18 В — возникает «движущаяся» структура, которая перемещается в горизонтальной плоскости слоя, при этом кольца и капли разрушаются. Скорость перемещения «движущейся» структуры зависит от напряженности поля. Появление «движущейся» структуры в слое приводит к образованию спиральных волн, наблюдаемых в отраженном свете. При увеличении напряженности поля размер раскручивающихся спиралей уменьшается, количество центров спиральных волн увеличивается.
• 11ц > 24...25 В - образуются вихри, которые вращаются как по часовой стрелке, так и против нее, центры вихрей перемещается в горизонтальной плоскости.
• 11п > 26 В — прекращение образования вихрей из-за увеличения скорости «движущейся» структуры и хаотизации движения структур
Исследование структур проведено также при совместном воздействии на слой постоянным и переменным низкочастотным электрическими полями. Показано, что основной особенностью образующихся структур является формирование лабиринтов размером -5 мм с разделяющими их ячейками. Построена фазовая диаграмма, отражающая процессы образования структур при совместном воздействии на слой МЖ постоянного и переменного напряжений.
При протекании через слой МЖ постоянного тока, задаваемого источником тока, оптические наблюдения в проходящем свете обнаруживают наличие ранее рассмотренных типов структур: ячеистой и лабиринтной. В данном режиме работы на электродах ячейки при плотности тока у > 0,021 Л/м2 возникают автоколебания постоянного напряжения. Увеличение плотности тока приводит к изменению формы автоколебаний, их частоты и амплитуды.
л
Автоколебания наблюдаются до у = 0,1 А/м , после чего они становятся неустойчивыми и исчезают.
В четвертой главе исследованы электрофизические свойства приповерх-
ностного слоя МЖ в постоянном, низкочастотном и высокочастотном электрических полях, причем в высокочастотном поле - резонансным методом. Согласно ВАХ слоя МЖ показано, что он является нелинейной средой, свойства которой определяются его толщиной. При ступенчатом увеличении и уменьшении постоянного напряжения появляются различия в прямых и обратных ветвях ВАХ. Найдены зависимости проводимости ячейки на переменном и постоянном токе, а также емкости ячейки от постоянного напряжения. При одновременном воздействии постоянного и низкочастотной напряжений в зависимости от их соотношения показана возможность работы ячейки со слоем МЖ как в линейном, так и нелинейном режиме и обнаружено изменение знака угла сдвига фаз между напряжением и током в линейном режиме. Установлено, что воздействие постоянного напряжения при заданных параметрах переменного напряжения приводит к изменению действующего значения и гармонического состава переменного тока, протекающего через ячейку. Рассчитана диэлектрическая проницаемость МЖ в слое. Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости слоя МЖ при воздействии переменного низкочастотного напряжения и Un = 0 с ростом частоты уменьшается. Увеличение постоянного напряжения при воздействии переменного напряжения амплитудой £/,„=4 В, частотой У=6 Гц приводит к тому, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости е' при работе ячейки в нелинейном режиме, рассчиташгая по первым гармоникам тока и напряжения, принимает отрицательное значение. В области постоянного и переменного напряжений при отрицательных значениях £ увеличение частоты переменного напряжения приводит к изменению знака £ , при этом ячейка остается работать в нелинейном режиме. На основе использования слоя МЖ в качестве активного диэлектрика емкостного элемента последовательного колебательного контура показана возможность управления резонансной частотой и добротностью контура путем изменения напряженности постоянного электрического или магнитного полей.
В питой главе исследованы поверхностные и межфазные явления fia
19
границе магнитная жидкость - немагнитная среда и показано применение эмульгированных капель магнитной жидкости. По форме капли в гравитационном и магнитном полях рассчитан коэффициент поверхностного натяжения МЖ. Обнаружено, что коэффициент поверхностного натяжения МЖ зависит от их химического состава и концентрации твердой фазы. Изучена форма капли, взвешенной в немагнитной жидкости. Количественно оценено отклонение формы капли МЖ, взвешенной в немагнитной среде, от эллипсоида вращения при воздействии магнитного поля. По полученным данным о форме капли МЖ в магнитном поле доказано, что коэффициент меж-фазного натяжения на границе магнитная жидкость - немагнитная среда не зависит от напряженности внешнего магнитного поля при //<10 кА/м.
Показано, что процесс образования и отделения капли МЖ из отверстия в горизонтальной немагнитной поверхности происходит в несколько стадий. Основным фактором, на который влияет внешнее магнитное поле, является периметр, а, следовательно, и объем капли. В горизонтальном магнитном поле свободная нижняя поверхность капли МЖ деформируется так, что симметрия капли относительно вертикальной оси нарушается, объем отделяющейся капли в магнитном поле увеличивается. Вертикально направленное магнитное поле уменьшает объем отделившейся капли, зависимость объема капли от напряженности магнитного поля нелинейная.
Установлено, что в результате контакта магнитной жидкости с водой ее поверхностные свойства изменяются. При перемешивании магнитной жидкости с водой происходит ее расслоение, а также самопроизвольной образование устойчивой эмульсии. При нанесении слоя МЖ на воду поверхностное натяжение и устойчивость МЖ к коалесценции зависят от длительности контакта жидкостей. Рассмотрено падение капли магнитной жидкости в немагнитной среде при воздействии магнитного поля, направленного перпендикулярно направлению движения капли. С целью улучшения чувствительности эмульсий к магнитному полю предложен способ электрического диспергирования магнитных жидкостей и устройство для его реализации. Оптимизиро-
20
ван состав эмульсий МЖ, использующихся в технике магнитной записи и дефектоскопии. Для оптимизации состава эмульсий предложено контролировать: эмульгирующую способность и оптимальную концентрацию ПАВ, время оседания эмульсии, время оседания в неоднородном магнитном поле, объем осадка в неоднородном магнитном поле, срок хранения. Оптимальная концентрация ПАВ в эмульсии находится по минимуму межфазного натяжения на границе «магнитная жидкость - раствор ПАВ». В результате получения эмульсий оптимального состава срок их работоспособности увеличен с трех до шести месяцев.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.
21
ГЛАВА 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКИХ КАПЕЛЬ
С ВНЕШНИМИ ПОЛЯМИ
В главе представлен обзор работ и проанализировано современное состояние исследований равновесных форм и возникновение неустойчивости заряженных и незаряженных капель диэлектриков в однородных внешних электрических полях, а также капель магнитных жидкостей (МЖ) в магнитных полях. Показано, что магнитная жидкость является уникальной средой, капли которой могут одинаково деформироваться как в электрических, так и магнитных полях. Рассмотрено взаимодействие микрокапель МЖ и образование агрегатов частиц твердой фазы в электрическом и магнитном полях, влияние агрегативной устойчивости магнитных жидкостей на их макроскопические свойства, такие как намагниченность, вязкость, проводимость. Исследованы статические свойства межфазной границы «магнитная жидкость - немагнитная среда». Рассмотрены процессы, протекающие в слое МЖ, при воздействии на него внешних полей. Проведен анализ свойств намагничивающихся сред, полученных на основе магнитных жидкостей (магнитных эмульсий), методы их синтеза и область применения.
1.1 Фигуры равновесия диэлектрических капель во внешних полях
Считается, что воздействие электрического поля на каплю жидкости связано с накоплением свободного и связанного зарядов на ее поверхности. Плотность зарядов пропорциональна кривизне поверхности, что означает увеличение растягивающих напряжений с ростом кривизны поверхности. Поведение одиночных капель и границ раздела фаз эмульсии во внешнем электрическом иоле изучалось рядом авторов[1, 2]. Наблюдения показали, что при помещении заряженной капли жидкости во внешнее однородное «квазипостоянное» поле она поляризуется и трансформируется в сфероид. Исходя сил, действующих на каплю:
22
капиллярного давления Р0=2сг/Я, где а - коэффициент поверхностного натяжения, Я— радиус капли; и давления электростатического поля Р0 = <27/8/гЛ4, где О- заряд капли, находится зависимость формы капли от
параметров среды и внешнего поля. При Ра > Р0 капля имеет сферическую
форму, при Ра < Р() теряет устойчивость [3]. Простейшей деформацией
является вытягивание капли в фигуру типа сфероида. При такой деформации расстояние между «центрами тяжести» зарядов обеих половинок капли увеличивается, а сила и энергия их отталкивания уменьшаются. Можно сказать, что капля претерпевает неустойчивость по отношению к собственному заряду. Отсюда получается гак называемый критерий неустойчивости Рэлея [4] заряженной капли:
О2
IV = У -->1
1 блсгЛ ’ (1.1)
Дальнейшее проявление неустойчивой капли зависит от ее вязкости и электропроводности. Капли сильно вязкой или плохо проводящей жидкости разрываются на две половины равных размеров с равными зарядами [5]. Несколько иная ситуация наблюдается для маловязкой и хорошо проводящей жидкости. При удлинении такой капли ее заряд перераспределяется по поверхности: плотность заряда на вершинах увеличивается, а в окрестности плоскости симметрии, перпендикулярной направлению удлинения, уменьшается. При некотором фиксированном удлинении давление электрического поля превышает капиллярное давление, сжимающее каплю, и из ее вершин начинают выбрасываться струйки дочерних капель, уносящие избыточный поверхностный заряд. Если время выравнивания электрического потенциала существенно меньше характерного времени эмиссии дочерней капли, то для дочерних капель при распаде также соблюдается условие (1.1). То есть дочерние капли распадаются по закону (1.1), выбрасывая еще более мелкие.
23
Равновесная форма незаряженной капли в однородном постоянном электрическом поле напряженностью Е представляет собой вытянутый вдоль поля сфероид. Критические условия неустойчивости капли по отношению к заряду, индуцированному на ее поверхности полем, получаются по аналогии с (1.1):
Величина const = 2,59 определяется из условия равенства давлений на вершинах (точка А) и экваторе капли (точка В) (рисунок 1.1). Закономерности развития неустойчивости незаряженной капли по отношению к заряду, индуцированному на се вершинах полем Е, качественно сходны с рассмотренными условиями для заряженной капли. Основное отличие в том, что дочерние капли, эмитированные с противоположных концов неустойчивой «родительской» капли, несут заряды противоположного знака, так как во внешнем электрическом поле ионы разных знаков движутся в противоположных направлениях, заряжая
W = E2Rcj 1 > const
(1.2)
а)
б)
Рисунок 1.1 -Деформация капель прямой и обратной эмульсий в
электрическом поле
24
одну из вершин капли положительным зарядом, а другую отрицательным. Наличие заряда О на капле, помещенной в однородное внешнее электростатическое поле, приводит к нарушению симметрии в распределении собственного и индуцированного зарядов по двум половинам капли. При больших величинах напряженности внешнего электрического поля точная форма капли отличается от сфероида, однако, в первом приближении это различие считается незначительным. Общие закономерности распада неустойчивой капли остаются прежними, хотя размеры и заряды капель, эмитируемых с противоположных вершин капли, различаются по величине.
Капля, несущая заряд, равный предельному по Релею, распадаясь, может образовывать около двух сотен на два порядка более мелких дочерних капель и теряя при таком распаде всего лишь 0,005-ю часть своей исходной массы и 0,23-ю часть исходного заряда 16-8]. Однако чаще отмечается деление заряженных капель на небольшое количество частей сравнимых размеров [9—13]. Такой же тип деления существует для шаровых молний [14]. При увеличении напряженности электрического поля выше критической могут образовываться вытянутые в виде шипов капли. При некоторых условиях, в частности, при малом расстоянии между электродами, шипы, увеличиваясь, достигают противоположного электрода, образуя мостики между ними [2].
Теория в зависимости от соотношения диэлектрических проницаемостей, проводимостей и вязкостей капли и среды предсказывает образование как сплюснутых, так и вытянутых сфероидов [5]. На практике установлено согласие с теорией лишь для постоянного поля: капли прямых эмульсий (ек < есру где ек и еср - диэлектрические проницаемости капли и среды) растягиваются поперек силовых линий электрического поля, а обратных эмульсий (ек > еср) - вдоль силовых линий (рисунок 1.1а - прямая эмульсия, б - обратная эмульсия) [6]. В переменных электрических полях изменение частоты приводит к преобразованию
25
вытянутых эллипсоидов в сплюснутые. При частоте внешнего поля, равной критической, сколь угодно большое увеличение напряженности поля не вызывает растяжения капель. По движению капель прямых и обратных эмульсий в электрическом поле определено, что они заряжены противоположно [^]. Описано движение капли прямой эмульсии после выключения электрического поля или при перемене его полярности. В эксперименте удалось наблюдать все перечисленные виды неустойчивости и ряд других, выходящих за рамки классических представлений.
На основании разработанных методов регулирования заряда с помощью ПАВ рассмотрена устойчивость капель в дисперсных системах и схематически представлена электрокинетическая картина их поведения [15, 16]. Установлено, что если поверхность дисперсной фазы несет отрицательный заряд, то при наложении электрического поля накопление дисперсной фазы происходит на аноде — анафорез. Уменьшение заряда до изоэлектрической точки (точке нулевого заряда) приводит систему в состояние, когда осаждение дисперсной фазы идет на обоих электродах — диафорез. Повышение напряженности до определенного значения в изоэлектрическом состоянии приводит к межэлектродной осцилляции, а при изменении знака заряда наблюдается катафорез.
С учетом полученных экспериментальных данных разработана общая электрогидродинамическая теория о деформации капли в переменных полях, которая в случае нулевой частоты сводится к теории, разработанной Тейлором [7]. Часто при описании деформации капли в электрическом поле построение моделей осуществляют в рамках электрогидродинамики (ЭГД) [5-7]. Однако постановка задачи о деформации капли в ЭГД моделях не использует граничное условие, связывающее поверхностную плотность заряда со скачком электрической индукции на межфазной границе, что является серьезным недостатком. Построение модели, включающей в себя рассмотрение кинетики поверхностного заряда капли с учетом его изменения во времени, а также поверхностную конвекцию и омические потоки на
26
подвижной межфазиой границе проведено в работе [17]. Предсказано, что капля устойчива, пока ее фигура эллипсоидальна, в момент распада она приобретает гантелеобразную форму [18]. Условия трансформации капли в вытянутый или сплюснутый сфероид по отношению к направлению вектора напряженности поля объясняются конвективным переносом зарядов по поверхности капли, который вызывает дополнительное движение жидкости от экватора к полюсам независимо от степени деформации жидкости. В то же время обратного преобразования вытянутого сфероида в сплюснутый не происходит.
Капля электропроводной жидкости во внешнем переменном во времени электрическом поле может претерпевать неустойчивости двух видов: резонансную и параметрическую. Резонансная неустойчивость связана с вынужденными капиллярными колебаниями капли, когда частота вынуждающей силы (напряженности внешнего электрического поля) совпадает с одной из частот собственных капиллярных колебаний капли, в свою очередь зависящих от величины поля. Параметрическая неустойчивость реализуется, когда частота внешнего электрического поля попадает в одну из резонансных зон в окрестности собственных частот капиллярных колебаний капли (зависящих от величины напряженности внешнего поля). Параметрическая неустойчивость имеет место и при стохастическом изменении величины заряда капли или напряженности внешнего электрического поля [19].
Задача исследования электростатического взаимодействия двух близко заряженных капель во внешнем электрическом поле представляет интерес в связи с расчетами закономерностей распада капель, неустойчивых по отношению к собственному и поляризационному поверхностному заряду [20]. При расчете электростатического взаимодействия пары заряженных капель используется закон Кулона, как при больших, так и малых расстояниях между ними. В то же время известно [21], что при сближении заряженных капель на малые расстояния (характерные для процессов
27
коагуляции и распада капель) существенную роль начинает играть поляризационное взаимодействие между ними. В итоге при некоторых соотношениях между размерами и зарядами одноименно заряженных капель они не отталкиваются, а притягиваются. Появление в последние годы пакетов математических программ для аналитического счета сделало возможным количественный и качественный анализ электростатического взаимодействия близко расположенных заряженных капель.
1.2 Фигуры равновесия капель магнитных жидкостей в магнитных
полях
Одной из наиболее известных задач в физике конденсированного состояния является задача о фигурах равновесия капель намагничивающихся жидкостей в магнитном поле. Магнитные жидкости (МЖ) получают по классической схеме: химическая конденсация солей двух— и трехвалентного железа с образованием магнетита, стабилизация поверхностно-активными веществами (ПАВ) и пептизация их в водной или органической основе. МЖ представляют собой взвесь однодоменных микрочастиц ферро- и ферримагнетиков в жидкой немагнитной среде [22—25]. Максимальная концентрация магнитного вещества в магнитной жидкости зависит от диаметра частиц, минимально возможного расстояния между ними и может достигать 25 объёмных процентов. Намагниченность концентрированных магнитных жидкостей достигает 100 кА/м в магнитных полях напряженностью 10’’А/м при сохранении текучести. Магнитная восприимчивость магнитных жидкостей на несколько порядков выше, чем у гомогенных парамагнитных жидкостей и составляет 10-15 единиц. Без приложения внешних воздействий МЖ характеризуют как статическую коллоидную систему [26], в которой стабилизирующие слои на частицах обеспечивают их агрегативную и седиментациоиную устойчивость [27, 28]. Седиментационная устойчивость МЖ достигается малым размером
28
дисперсных частиц (-10 нм). Для агрегативной устойчивости коллоидных систем с магнитными частицами необходимо, чтобы сближение частиц вызывало появление сил отталкивания между ними, что достигается путем введения в коллоид стабилизатора - поверхностно-активного вещества. Образованный на поверхности частиц молекулами ПАВ адсорбционный слой создает структурно-механический барьер, препятствующий укрупнению частиц вследствие их слипания. Как правило, в качестве ПАВ используют вещества, строение которых характеризуется наличием корочкой функциональной группы (щелочной, кислотной и др.) и длинной концевой цепочки (углеводородной, фторуглеродной и Др.); классическим стабилизатором для неводных МЖ является олеиновая кислота С$Н !7СН=СН(СН2) 7СО-ОН*, которая своим полярным концом 0‘П' притягивается к поверхности твердой фазы, образуя на ней однородный молекулярный слой толщиной 5 « 2 нм. В неполярных дисперсионных средах (керосин, додекан, масла и т.д.) гибкие неполярные хвосты ПАВ, взаимодействующие с жидкостыо-носителем, направлены от частицы к жидкости [29]. Дестабилизация коллоида может возникнуть при его разбавлении чистой несущей средой. Дестабилизация связывается с десорбцией молекул ПАВ с поверхности частиц вследствие уменьшения их концентрации в окружающей жидкости или при добавлении коагуляторов [30 - 32]. С другой стороны, различный характер связи молекул ПАВ с частицей магнетита (адсорбция или хемосорбция) не всегда приводит к неустойчивости коллоида при его разбавлении чистой несущей средой [33]. При сближении магнитных частиц, покрытых слоем длинноцепных молекул ПАВ, на расстояние х возникает сила отталкивания, называемая стерической. При пересечении оболочек длинные молекулы ПАВ искривляются, повышается их локальная концентрация; искривление молекул требует определенных энергетических затрат и препятствует сближению частиц. Повышение локальной концентрации молекул ПАВ приводит к увеличению осмотического давления в оболочке и также предотвращает объединение
29
частиц. В этом случае, энергия стерического отталкивания определяется по формуле:
IV = РУ =—тгГкТ 3
/ .г4
д—
6--
2)
2
ь 23 + —
-1
, х < 23;1¥5 = 0, л- > 23,
и 2) 5 (1.3)
Где 3 - толщина оболочки, Р - осмотическое давление, V- объем пересекающихся слоев, Г — число молекул ПАВ на единицу площади частицы. Так как поперечный размер длинноцепочечных молекул составляет 0,3-1 нм, можно принять площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ 10'18-10*19 м2, т.е. Л=10,8-10,9м'2. Из выражения (1.3) следует, что значение энергии \У5 возрастает при уменьшении расстояния между частицами, причем значительно быстрее, чем убывает энергия сил Ван-дер-Ваальса и магнитного взаимодействия. Это свидетельствует о возможности создания барьера, предотвращающего сближение частиц под действием магнитного поля на расстояниях, при которых энергия сил притяжения превышает тепловую энергию [34].
Развитый в последнее время структурно-континуальный подход позволяет описать деформацию и ориентацию капель МЖ в рамках уравнений структурированной сплошной среды. Физический механизм эффекта растяжения капли в однородном иоле в рамках континуального подхода связывается с действием растягивающих магнитных напряжений, имеющих размерность давления, в направлении поля [35-37]. Теоретически гидростатика намагничивающихся капель впервые рассмотрена в работе [35], где показано, что во внешнем магнитном поле равновесный объем жидкости с магнитной проницаемостью отличной от магнитной проницаемости среды ц1 принимает форму тела вращения, близкую к эллипсоиду вращения. Не считая форму капли заранее известной, доказывается, что в однородном поле она представляет собой вытянутый вдоль поля эллипсоид вращения. Деформация капли обусловлена зависимостью силы на межфазных границах от ориентации магнитного поля. Показано, что в формировании баланса сил на межфазных границах
- Київ+380960830922