Изучение особенностей электрических свойств магнитных жидкостей
Федеральное агентство по образованию и науке
Ставропольский государственный университет
Кафедра общей физики
Курсовая работа
на тему:
«Изучение особенностей электрических свойств магнитных жидкостей»
Содержание.
Введение………………………………………………………………………….3
Глава 1 «Теория электрической проводимости и методика её измерения»...............................................................................………………….6
1.1 Понятие электрической проводимости……………………………….6
1.2 Учёт возможных погрешностей при проведении измерений электрической проводимости………………………………………….8
1.3 Особенности измерения электрической проводимости……………..11
1.4 Теория удельной объёмной проводимости применительно к магнитным жидкостям……………………………………………..…..12
Глава 2 «Теория диэлектрической проницаемости и методика её измерения»………………………………………………………………………17
2.1 Историческая справка и понятие диэлектрической проницаемости…………………………………………………………17
2.2 Зависимость диэлектрической проницаемости от различных физических величин…………………………………………………...19
2.3 Метод измерения диэлектрической проницаемости………………...21
2.4 Диэлектрические характеристики магнитных жидкостей…………..22
Глава 3 «Экспериментальные исследования электрической проводимости и диэлектрической проницаемости магнитной жидкости»………………………………………………………………………..25
Заключение………………………………………………………………………
Список используемой литературы………………………………………………
Введение.
Магнитные жидкости, синтезированные в середине 20-го века на стыке наук коллоидной химии, физики магнитных явлений и гидродинамики, относятся к магнитоуправляемым материалам и получили широкое практическое применение в машиностроении, медицине, других областях промышленности. Магнитные жидкости обладают уникальными магнитными свойствами: хорошей текучестью и намагниченностью. Важной особенностью ферромагнитных коллоидов, в отличие от большинства известных магнитных систем, является свобода поступательного движения магнитных частиц, которая может быть причиной структурных превращений, связанных с одновременным изменением характера магнитного упорядочения и пространственного расположения частиц в слое жидкости. Наблюдаемые в магнитной жидкости магнитомеханические, магнитооптические и электрофизические явления во многом определяются свойствами малых частиц, их взаимодействием во внешних полях и структурным состоянием системы. Связь макроскопических свойств вещества с его микроскопическими характеристиками является одним из основных вопросов физики жидких дисперсных систем.
Относительно процессов, определяющих электрические свойства магнитных жидкостей на сегодняшний день нет единого мнения; основой МЖ как правило являются полярные или неполярные диэлектрики с проводимостью порядка См/м, поверхностно-активное вещество, выбираемое в качестве стабилизатора, имеет проводимость порядка См/м. Частицы магнетита, хоть и имеют проводимость порядка 2×См/м, однако окружены плотным слоем олеиновой кислоты, поэтому проводимость магнитной жидкости не обусловлена проводимостью частиц магнетита. Проводимость же самой магнитной жидкости имеет значения порядка См/м, что соответствует электрическим свойствам разбавленных электролитов. Считается, что носителями заряда в МЖ являются ионы примесей – результат химической конденсации при соосаждении солей двух- и трех валентного железа из водного раствора действием водного раствора аммиака.
Для оценки влияния структуры исследуемых систем на электрофизические характеристики рассматриваются электропроводность и диэлектрическая проницаемость МЖ.
Диэлектрическая проницаемость. На диэлектрическую проницаемость магнитных жидкостей влияют стабилизирующие свойства и размер защитных оболочек, размер и материал частиц, концентрация примесей.
Существует большое количество выражений для расчета диэлектрической проницаемости гетерогенных систем как для статистических смесей, так и для матричных систем [49, 65]. МЖ в зависимости от концентрации дисперсной фазы и величины магнитного поля, можно рассматривать как статистическую смесь – при малых концентрациях и без магнитного поля, как матричную систему – при наложении магнитного поля.
Для магнитных жидкостей наблюдается дисперсия диэлектрической проницаемости. При этом проявляется зависимость её от напряженности магнитного поля. Причем для МЖ, отличающихся по компонентному составу и устойчивости, характер этой зависимости различен. Отмечено, что наиболее ярко он проявляется для МЖ с меньшей устойчивостью и вязкостью. С увеличением напряженности магнитного поля диэлектрическая проницаемость увеличивается (рис.1.1) [33]. Описание данного процесса опирается на модель, в которой рассматриваются процессы поляризации за счет перемещения ионов внутри стабилизирующей оболочки [29]. Это возможно при стабилизации дисперсии в результате использования электоростерического механизма.
Электропроводность магнитной жидкости. Электропроводность магнитной жидкости обусловлена несколькими механизмами: объемной и поверхностной проводимостью примесных носителей зарядов, миграцией мицелл.
Комплексное исследование электрических характеристик позволяет уточнить механизм изменения структуры дисперсных систем при воздействии на них внешних электрического и магнитного полей.
Как уже отмечалось, магнитные жидкости представляют собой дисперсные системы. Механизм электропроводности дисперсных систем определяется материалом частиц, природой стабилизирующего слоя и свойствами дисперсионной среды [30, 32]. Теории электрических процессов таких систем наиболее полно изложены в работах Духина С.С., Шилова В.Н., Дерягина Б.Ф. [30, 32, 84, 31]. Применительно к магнитным жидкостям дисперсная система состоит из частиц магнетита, покрытых прочной изоляционной оболочкой, в слабом электролите, то есть в жидком неполярном диэлектрике с примесными ионами и полярными молекулами. Концентрация примесных носителей зависит от технологии получения МЖ и качества отмывки дисперсного магнетита.
Глава 1.
Теория электрической проводимости и методика её измерения.
1.1 Понятие электрической проводимости.
Все проводники, существующие в природе, в зависимости от механизма переноса электричества при прохождении через них электрического тока можно разделить на три класса: электронные, ионные и смешанные.
К классу электронных проводников, в которых переносчиками электрических зарядов являются электроны, относятся металлы, полупроводники, большинство металлических сплавов, углерод и некоторые твёрдые соли и окислы.
В класс ионных проводников входят газы и электролиты, в которых переносчиками электрических зарядов являются ионы и прохождение тока сопровождается переносом вещества.
Изоляционные свойства материалов характеризуются электрическим сопротивлением и пробивным напряжением. Электрическое сопротивление жидкости определяет силу тока, проходящего по ней при заданном напряжении. Величина, обратная сопротивлению, называется объёмной электрической проводимостью.
Класс смешанных проводников состоит из веществ, обладающих частично электронной и частично ионной проводимостью. К ним относятся, например, растворы щелочных и щелочноземельных металлов в жидком аммиаке, некоторые жидкие сплавы и соли, характер проводимости которых меняется в определённом интервале температур, и другие вещества.
Область измерения электропроводности электролитов как одна из областей электрохимических измерений охватывает классы ионных и смешанных проводников. К ним относятся следующие типы веществ:
1) чистые вещества в твёрдом состоянии, в жидком состоянии, расплавленные соли и гидриды;
2) растворы одного или нескольких веществ в твёрдом состоянии, в расплаве, коллоидные и истинные жидкие водные и неводные растворы в неорганических и органических растворителях: окислов, солей кислот, оснований и некоторых элементарных веществ.
Измерительные методы классифицируются по большому количеству характеристик, в частности по роду контакта, по типу выходного сигнала, по характеру напряжения, применяемого для измерения.
В данном эксперименте использовался контактный метод измерения, который характеризуется тем, что в процессе измерения исследуемая магнитная жидкость находится в прямом гальваническом контакте с электродами измерительной ячейки. Однако, хотя они и дают возможность производить точные измерения, но не свободны от погрешностей, обусловленных в частности, в большей или в меньшей степени поляризационными явлениями на электродах. Даже использование мостового метода переменного тока, который обладает высокой точностью измерений и даёт возможность получать непосредственный отсчёт измеряемой величины, при измерении концентрированных растворов появляется погрешность из-за наличия поляризационных явлений.
Эти поляризационные явления при переменном токе выражены в сотни раз слабее, чем при постоянном токе (этим и обусловлено использование переменного тока в эксперименте), и зависят от частоты и концентрации раствора, а также в значительной степени от материала электрода и состояния его поверхности. Несмотря на малую величину поляризации, при измерениях электропроводности она может внести погрешность в измеряемую величину.
1.2. Учёт возможных погрешностей при проведении измерений электрической проводимости.
Изучению поляризации растворов электролитов переменным током посвящено много экспериментальных и теоретических работ. Из их результатов можно сделать выводы:
1) при прохождении переменного тока через раствор в отдельных его точках происходят периодические изменения концентрации;
2) частота этих периодических изменений пропорциональна частоте переменного тока;
3) амплитуда периодических изменений концентрации уменьшается по мере удаления от поверхности электрода, причём такое уменьшение происходит быстрее с увеличением частоты и с уменьшением коэффициента диффузии потенциалопределяющих ионов.
