Исследование характера электрогидродинамических неустойчивостей и рассеяния света проводилось в тонких слоях (20 -40 мкм) магнитных жидкостей, заключенных между прозрачными стеклами с токопроводящим покрытием. Наблюдение микроструктуры осуществлялось с помощью оптического микроскопа. При исследовании дифракционного светорассеяния применялся гелий-неоновый лазер, луч которого пропускали перпендикулярно плоскости ячейки. Характер рассеяния света наблюдали на экране, а относительную величину интенсивности рассеянного света регистрировали с помощью фотоэлемента и цифрового прибора. Кроме описанной, использовалась также измерительная ячейка, позволяющая создавать электрическое поле, перпендикулярное световому лучу, устройство которой аналогично измерительной ячейке, использованной ранее для исследования компенсации формы капель в сонаправленных электрическом и магнитном полях (рис.2.13).
Рис.2.13. Схема ячейки для исследования деформации микрокапельных агрегатов в электрическом поле; 1 - предметное стекло, 2 - металлические пластины, 3 - магнитная жидкость с агрегатами, 4 -покровное стекло.
В достаточно слабых переменных электрических полях низкой частоты (30 - 200 Гц) магнитная жидкость с микрокапельной структурой становится анизотропной. Результаты оптических наблюдений, как уже указывалось ранее, показывают, что в полях достаточно низкой частоты, когда электропроводность капель ниже, чем окружающей их среды капли сплющиваются вдоль направления электрического поля. В результате возникновения анизотропии структуры в МЖ наблюдается анизотропное светорассеяние. Наблюдающееся при отсутствии поля светлое пятно ("гало") трансформируется в широкую размытую полосу, направленную параллельно малым осям сплющенных капель. На рис. 34 показана зависимость относительной величины интенсивности наблюдаемой светлой полосы от напряженности электрического поля.
Рисунок 34. Зависимость относительной величины анизотропного светорассеяния от напряженности переменного электрического напряжения при частоте 50Гц (10 - начальный фон).
Из приведенного графика видно, что первоначально, при повышении электрического поля происходит увеличение интенсивности анизотропного рассеяния света, что соответствует увеличению деформации капельных агрегатов. Однако, начиная с некоторого, критического значения напряженности, в системе развиваются электрогидродинамические течения, достаточные для разрушения капельных агрегатов и созданной слабыми полями анизотропии структуры. В этом случае наблюдается уменьшение относительной величины анизотропного светорассеяния. Таким образом, при возникновении электрогидродинамической неустойчивости происходит уменьшение структурной, а следовательно и магнитной анизотропии магнитных жидкостей с микрокапельной структурой. Возникновение неустойчивости, как уже указывалось, связано с процессами релаксации заряда в слабо проводящей несущей среде. А.О.Цеберсом при анализе подобных явлений [173] было показано, что в достаточно слабых полях, когда характерное время поворота частицы в вязкой среде велико по сравнению с временем релаксации заряда, ее положение в электрическом поле устойчиво. В противном случае свободные заряды, определяющие ориентацию частиц с наименьшим коэффициентом деполяризации вдоль поля, не успевают перераспределиться по ее поверхности, и развивается неустойчивость. При этом неустойчивость имеет колебательный характер и наступает при
(4.56)
где k0 и k∞ - статическая и высокочастотная поляризуемость (индексы и ║ и обозначают направления вдоль и поперек длинной оси эллипсоида). Для угловой частоты возникающих колебаний анизотропии получено выражение
(4.57)
Согласно проведенных нами расчетов [176], соотношение (4.56) в случае непроводящих сферических частиц, взвешенных в среде с вязкостью η=0,1 Па с и характерным временем релаксации заряда τ = 10 с, что соответствует удельному сопротивлению около 0,1 Ом м, для напряженности поля дает величину 400 кв./м В полях такого же порядка наблюдается развитие электрогидродинамической неустойчивости в эксперименте. Изучение характера неустойчивости осуществлялось с помощью наблюдений в микроскоп, которые выявили на поверхности слоя жидкости подвижную сотовую структуру, характерную для неустойчивости Бенарда.
Повышение частоты электрического поля, направленного перпендикулярно плоскости тонкого слоя магнитной жидкости с микрокапельной структурой, приводит сначала к прекращению вихревых течений при f=3 кГц и появлению структурной сетки ветвистого, затем лабиринтного типа. При достаточно высокой частоте (f> 10 кГц) такая структура распадается на отдельные цилиндрические агрегаты, оси которых перпендикулярны плоскостям электродов. Интерес представляют наблюдения трансформации структуры при последующем понижении частоты. В этом случае из цилиндрических образований вновь развивается лабиринтная структура, распадающаяся при продолжении снижения частоты на множество более тонких, на фоне которых образуются крупные гантелеподобные агрегаты. При достижении частоты электрического поля 3 кГц происходит быстрый, взрывоподобный распад агрегатов, после чего во всем объеме слоя МЖ развивается вихревая электрогидродинамическая неустойчивость. Описанные структурные изменения проиллюстрированы на рис. 35.
Рисунок 35. Динамика структурных превращений в магнитной жидкости с микрокапельной структурой в электрическом поле; а - f=20 кГц, б - f=10 кГц, в- f=9 кГц, г - f=6 кГц, д - f=l кГц.
Характер структурных превращений при изменении частоты электрического поля подтверждает их связь с процессами релаксации заряда, ориентации и формы микрокапель. Отметим, что при достаточно большой частоте форма капель определяется только поляризационными эффектами вследствие отсутствия движения свободных зарядов, и в этом случае в тонких слоях МЖ развивается гексагональная структура, теоретическая интерпретация образования которой может быть построена по аналогии с интерпретацией образования подобной структуры в постоянном магнитном поле [163-165] .Структурные превращения в тонких слоях подобных магнитных жидкостей в электрическом поле определяют характер наблюдающегося при этом дифракционного светорассеяния. Изучение этого явления проведено с помощью установки, схема которой приведена на рис.36, при этом использовалась ячейка, представляющая собой два плоских стекла с токопроводящим покрытием.
Рисунок 36. Схема установки для исследования светорассеяния тонкими слоями магнитных жидкостей; 1 -лазер ЛГ-78, 2 - ячейка с магнитной жидкостью, 3-термостатирующая рубашка, 4 - катушки Гельмголь-ца, 5 - фотоприемник.
При достаточно высоких частотах (f > 10 кГц), когда структура представляет собой лабиринтную, а затем гексагональную систему вытянутых вдоль поля микрокапель, наблюдается дифракционная картина в виде светлого кольца, диаметр которого зависит от величины напряженности и частоты электрического поля. Анализ таких, экспериментально полученных зависимостей позволяет оценить изменение характерного структурного параметра решетки. При понижении частоты кольцо исчезает, а затем появляется вновь при наступлении электрогидродинамической неустойчивости. Однако, природа рассеяния света наблюдающегося благодаря вихревым течениям имеет существенное отличие от дифракционных эффектов на структурных образованиях. Как видно из схематического представления структуры электрогидродинамических вихревых течений (рис.37), скорость жидкости в различных областях слоя жидкости различна и изменяется от максимального значения на окраинах вихрей до нуля в их центрах.
Рисунок 37. Характер вихревого движения МЖ в электрическом поле.
В соответствии с этим изменяется и коэффициент преломления жидкости. А так как размеры вихрей одинаковы (о чем свидетельствует наблюдающаяся на поверхности слоя сотовая структура с одинаковыми размерами сот), то и размеры участков с одинаковым коэффициентом преломления также одинаковы и упорядочены в пространстве. В результате этого, систему микровихрей можно уподобить системе линз, прохождение через которую параллельного пучка света и приводит к наблюдаемому оптическому эффекту. При этом, в соответствии с колебательным характером электрогидродинамической неустойчивости в течение некоторого переходного периода после включения поля наблюдается колебание интенсивности кольца (рисунок 38).
Рисунок 38. Зависимость интенсивности дифракционного кольца, наблюдающегося при прохождении луча лазера через слой МЖ, от времени после включения электрического поля.
Частота пульсаций интенсивности дифракционного кольца существенным образом зависит от величины напряженности электрического поля (рис.39).
Рисунок 39. Зависимость частоты пульсаций дифракционного кольца от напряженности электрического поля .
Анализ полученной функциональной зависимости позволил установить, что в начальном интервале исследованных значений напряженности поля она является квадратичной, однако ее вид изменяется при более высоких значениях Е (свыше 1,5·103 кВ/м) .
Следует отметить, что обнаруженная электрогидродинамическая неустойчивость в структурированной магнитной жидкости имеет отличительную особенность, связанную с возможностью регулирования ее нарастания с помощью дополнительного воздействия магнитным полем. Иллюстрацией этого утверждения может служить график зависимости частоты пульсации дифракционного кольца от напряженности постоянного магнитного поля, приведенный на рис.4.21.
Рисунок 40. Зависимость частоты пульсаций дифракционного кольца от напряженности постоянного магнитного поля (подробные пояснения в тексте).
2.4 Магнитные жидкости с квазитвердыми структурными образованиями
Большинство опубликованных работ в области магнитных жидкостей посвящены исследованию физических свойств "классических" магнитных жидкостей с магнетитовыми частицами на основе керосина, в которых при определенных условиях могут образовываться микрокапельные агрегаты. Однако, на практике, как уже указывалось ранее, применяются в основном МЖ на вязких основах - кремнийорганических и минеральных маслах, триэтаноламине и т.п., дисперсной средой в которых является магнетит, железо и их композиции. Такие магнитные жидкости по своей структуре и более высокой вязкости существенно отличаются от жидкостей на основе керосина. Выбор дисперсионной среды обусловлен малой степенью ее испаряемости, а также стремлением предотвратить вытекание МЖ из рабочих зазоров установок и устройств. Однако, такие несущие среды уменьшают возможность хорошей стабилизации МЖ. По-видимому, в связи с этим, такие магнитные жидкости получаются структурированными уже в процессе технологического приготовления, структурные образования в них бесформенны, часто по внешнему виду напоминают хлопья или квазитвердые слоистые образования. На рис. 41а приведена фотография типичной структуры такой МЖ (композиция железа и магнетита в кремнийорганике при Т — 293 К, увеличение 700).
Рисунок 41. Структурные образования в МЖ повышенной вязкости(дисперсия магнитета в кремнийорганике); а до включения поля, б - при Н = 40 кА/м, в -через 20 минут после выключения поля.
Изменение температуры приводит к изменению формы и конфигурации отдельных агрегатов и структуры в целом. Реакция на внешнее магнитное поле проявляется в виде преимущественной ориентации структурных образований по направлению поля (рис. 416). При этом, изменение направления поля на обратное не приводит к переориентации агрегатов, что указывает на отсутствие у агрегатов собственного магнитного момента, обусловленного упорядочением магнитных моментов дисперсных частиц. Следует отметить, что квазитвердые структурные образования иногда могут реализовываться также и в относительно стабильных жидкостях на основе керосина, однако в этом случае, как будет показано ниже, они могут иметь принципиально иной характер, чем образования в МЖ повышенной вязкости.
1. Релаксация процессов структурообразования в магнитных жидкостях повышенной вязкости.
Формирование структуры в магнитных жидкостях повышенной вязкости под действием магнитного поля происходит в течение нескольких секунд после его включения (например, в поле с напряженностью 40 кА/м это время составляет 5-10 секунд). Структура, созданная полем также сохраняется и после его выключения в течение 5-20 минут (рис.416). Такое поведение структуры в той или иной мере присуще всем исследованным образцам, применяемым или разрабатываемым для магнитожидкостных уплотнений различного типа.
Информация о структуре магнитных жидкостей и кинетике структурных изменений может быть получена с помощью изучения процессов светорассеяния в тонких слоях этих сред. С этой целью было исследовано рассеяние лазерного луча при прохождении им тонкого слоя (30 - 50 мкм) МЖ с помощью экспериментальной установки, схема которой приведена на рис.36 и подробно описана в 2.3. Как и следовало ожидать, воздействие магнитного поля изменяет изотропный характер светорассеяния на анизотропный, при этом на экране, после прохождения луча через образец, после включения магнитного поля, размытое световое пятно меняется на широкую полосу. Исследование интенсивности анизотропного светорассеяния выявило его зависимость от величины напряженности магнитного поля и времени его воздействия, характер которой по существу определяется процессами формирования структуры. На рис. 42 приведена зависимость относительной величины светорассеяния от времени воздействия магнитного поля напряженностью H = 60 кА/м для образца на основе триэтаноламина (кривая 1) .
Рисунок 42 Зависимость относительной величины интенсивности анизотропного светорассеяния(10- начальный фон) от времени в магнитном поле с напряженностью Н = 60 кА/м (1) и после выключения поля (2) для МЖ типа магнетит в триэтаноламине.
Аналогичные кривые получены и для других МЖ этого типа. Как можно заметить из рисунка, формирование структуры МЖ этом поле заканчивается через 3-5 минут. Анизотропное светорассеяние сохраняется (в соответствии с сохранением анизотропной структуры) в течение некоторого времени и после выключения поля. На рис.42 (кривая 2) приведена зависимость интенсивности остаточного светорассеяния от времени после выключения поля.
При нагревании образца МЖ, светорассеяние теряет анизотропный характер, однако, интенсивность его увеличивается, достигая насыщения в области температур 320є - 350є К (рис.43).
Рис.43. Температурная зависимость относительной величины светорассеяния для магнитной жидкости (магнетит в триэталонамине) с остаточной структурой после выключения магнитного поля.
Рост интенсивности светорассеяния свидетельствует об увеличении числа мелких агрегатов и частиц с изотропной формой за счет дробления при увеличении температуры первоначально анизотропной структуры жидкости.
2. Образование спонтанно намагниченных агрегатов в магнитных жидкостях.
При длительном хранении достаточно устойчивых к расслоению магнитных жидкостей на основе керосина в них, при определенных условиях, может реализоваться хорошо развитая система квазитвердых структурных образований, которые даже при отсутствии магнитного поля обладают отличным от нуля магнитным моментом. Как правило, такие агрегаты обладают хорошо выраженной анизотропией формы, достаточно быстро реагируют на включение внешнего магнитного поля, а при его отсутствии ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В некоторых случаях такие агрегаты имеют нитевидную форму, при этом минимум магнитной энергии при отсутствии магнитного поля осуществляется за счет разветвления и переплетения агрегатов. На рис. 4.25 приведена фотография таких структурных образований в магнитном поле (а) и при его отсутствии (б).
Рис.4.25. Фотография структурных образований, обладающих собственным магнитным моментом; а - в магнитном поле, б при его отсутствии.
Для описания имеющихся экспериментальных результатов в области физических свойств магнитных жидкостей в теоретических работах [17, 18] были выведены уравнения, описывающие движение дисперсной намагничивающейся среды, при использовании методов термодинамики необратимых процессов.
В некоторых работах [19 – 22] магнитная жидкость рассматривалась как однородная жидкость с внутренними моментами вращения и предполагалась жесткая связь магнитного момента частицы и ее твердой матрицы. В этом случае в гидродинамические уравнения входят τD – броуновское время ориентационной релаксации частицы и τS – время затухания собственного вращения частицы, которые зависят от размера частиц с сольватной оболочкой. Экспериментальное определение времени ориентационной релаксации осуществлялось в работах [23 – 25].
Таким образом, до некоторых пор считалось, что магнитная жидкость ведет себя в магнитном поле сплошная однородная суперпарамагнитная среда, в которой элементарным носителем магнетизма являются дисперсные частицы. Однако в дальнейшем, когда стало возможным синтезировать более концентрированные магнитные жидкости, стали появляться работы, указывающие на ограниченность применения модели однородной среды, которая подчиняется классической теории парамагнетизма.
Литература
1.Де Грот С., и Мазур П. Неравновесная термодинамика.-М.: Мир,1964.-456с.
2. Бараш Ю.С. О макроскопическом описании действующего поля в некоторых диэлектриках.// ЖЭТФ.-Т.79, вып.6.-С.2271-2281.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.-М.: Наука.-1982.-623 с.
4.Стреттон Д. Теория электромагнетизма.- М.-Л.: Гостехиздат, 1948.-312 с.
5. Пановский В., Филипс М. Классическая электродинамика.- М.: Гостехиздат, 1957.
6. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. Гидродинамика дисперсных систем, взаимодействующих с электромагнитным полем.// Механика жидкости и газа.- №3.-1977.- С.62-70.
7. Диканский Ю.И. Экспериментальное исследование эффективных полей в магнитной жидкости.// Магнитная гидродинамика.- 1982.- №3. – С.33-36.
8. Elmore W. C. Ferromagnetic colloid for studying magnetic structure // Phys. Rev. – 1938. – Vol. 54. – N 4. – P. 309.
9. Elmore W. C. The magnetization of ferromagnetic colloid // Phys. Rev. – 1938. – Vol. 54. – N 12. – P. 1092–1095.
10. Бибик Е.Е., Бузунов О.Е. Достижения в области получения и применения магнитных жидкостей. – М: ЦНИИ, Электроника, 1979. – 60 с.
11. Диканский Ю.И. К вопросу о магнитогранулометрии в магнитных жидкостях // Магнитная гидродинамика.– 1984.– № 1.– С.123–126.
12. Вонсовский С.В. Магнетизм. – М.: Наука, 1971. – 1032 с.
13. Neel L. Influence des fluctuations thermiques sur l'aimantation de grains ferromagnetiques tres fins // Academic des sciences. Comptes rendus. – 1949. – Vol. 228. – N 8.– P. 1927–1937.
14. Bean C.P. Hysteresis loops of mixtures of ferromagnetic micropowdes // Journal of Applied Physics. – 1955.– Vol.26. – N 11. – P. 1381–1383.
15. Brown W.F., Jr. Thermal fluctuations of a single-domain particle // Phys. Rev. – 1963. – V. 130. – N. 5. – P. 1677 – 1686.
16. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // УФН. – 1974. – Т. 112, вып. 3. – С. 427 – 458.
17. Bean C.P., Jacobs I.S. Magnetic granulometry and superparamagnetism // Journal of Applied Physics. – Vol. 27. – N. 12. – P. 1448 – 1452.
18. Shliomis M.I., Raikher Yu.L. Experimental investigations of magnetic fluids // IEEE Transactions on Magnetic. – 1980. – Vol. MAG-16. – N. 2. – P. 237 – 250.
19. Kaiser R., Miskolczy G. Magnetic properties of stable dispersions of subdomain magnetic particles // Journal of Applied Physics. – 1970. – Vol. 1. – N. 3. – P. 1064 – 1072.
20. Бибик Е.Е., Матыгулин Б.Я., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. Магнитостатические свойства коллоидов магнетита // Магнитная гидродинамика. – 1973. – № 1. – С. 68 – 72.
21. Мозговой Е.Н., Блум Э.Я. Магнитные свойства мелкодисперсных ферросуспензий, синтезированных электроконденсационным способом // Магнитная гидродинамика. – 1971. – № 4. – С. 18 – 24.
22. Марценюк М.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. К кинетике намагничивания суспензий ферромагнитных частиц // ЖЭТФ. – 1973. – Т. 65, вып. 1(7). – С. 834 – 840.
23. Марценюк М.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. К кинетике намагничивания суспензий однодоменных частиц // Труды Международной конференции по магнетизму МКМ-73 (22 – 28 августа 1973г.). – М.: Наука, 1974. – С.540–544.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
