Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондукто...
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондуктометрической ячейкЕ с магнитной жидкостью
Выполнила:
студентка 5 курса ФМФ
отд. «Физика/Математика», группа «В»
Савельева Анна Евгеньевна
Научный руководитель:
кандидат физ.-мат. наук
доц. Полихрониди Н.Г.
Научный консультант:
доц. Баграмян В.А.
План дипломной работы
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 3
ГЛАВА I. Обзор литературы....................................................................................... 4
I.1. Аккумуляция энергии в ячейке с МЖ.......................................................... 4
I.2. Анизотропия электропроводности МЖ, наведенная внешним воздействием...................................................................................................................... 6
ГЛАВА II. Действие электрического и магнитного полей на структурные элементы МЖ.................................................................................................................. 10
II.1.1. Действие ЭП на свободный заряд......................................................... 10
II.1.2. Действие ЭП на электрический диполь................................................. 10
II.2.1. Действие МП на движущийся заряд...................................................... 13
II.2.2. Действие МП на магнитный диполь...................................................... 15
ГЛАВА III. Математическая теория проводимости МЖ........................................... 16
III.1. Теория проводимости.............................................................................. 16
III.2. Влияние ЭП на подвижность МЖ........................................................... 20
III.3. Влияние МП на подвижность МЖ........................................................... 21
ГЛАВА IV. Результаты эксперимента и их обсуждение............................................ 24
1. Исследование ВАХ МЖ при разных темпах нагружения ячейки............... 24
2. Влияние температуры на ВАХ МЖ............................................................. 34
3. Исследование разряда и саморазряда КЯ с МЖ........................................ 38
4. Влияние температуры на разряд и саморазряд КЯ с МЖ.......................... 51
5. Влияние МП на ВАХ, разряд и саморазряд КЯ с МЖ............................... 56
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... 59
ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................ 60
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные жидкости (МЖ) на основе керосина обладают некоторой электрической проводимостью.
Носителями заряда могут быть остаточные ионы технологической процедуры при изготовлении МЖ как продукт распада ионных атмосфер, сопутствующих стабилизирующей оболочке диспергированных частиц и их агрегатов. Предположить в качестве носителей сами магнитные частицы и их агрегата можно, но большая масса и низкая подвижность при, в общем, малом, по-видимому, избыточном заряде маловероятна.
Следствием зависимости могут стать другие явления, уже обнаруженные.
Так уже замечена спонтанная поляризация электродов кондуктометрической ячейки (КЯ), обусловленная, скорее всего, некоторой асимметрией материала электродов. Отчетливо проявляется гистерезис в ходе ВАХ, обусловленный, по-видимому, темпом нагрузки КЯ. Неясна лишь его зависимость от внешних условий, внутреннего состава и структуры МЖ как системы.
Другое замечательное свойство МЖ, связанное с ее проводимостью, – это аккумуляция заряда и энергии в КЯ при ее заряжении. Многие детали этого явления еще скрыты, но кое-что известно определенно. Установлено соотношение (качественное) между заряжающим напряжением и максимальной разностью потенциалов в заряженной КЯ. Изучен ход разряда и найдено, что заряд, накопившийся в ней, значительно превышает заряд этой же ячейки, взятой в роли конденсатора с воздушно-керосиновым и олеиновокислотным наполнителем.
Все эти факты позволили провести первую грубую оценку электрических характеристик МЖ. В настоящей работе продолжены исследования проводимости МЖ на основе керосина и аккумуляции энергии в КЯ в условиях применяющейся температуры; получены некоторые новые результаты о механизме разряда путем изучения саморазряда КЯ и сопоставления его с полным разрядом. Эти результаты пока еще не отличаются высокой степенью точности (количественной) ввиду повышенной чувствительности МЖ к температуре, но качественно определены.
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
I.1. Чеканов В.В., Бондаренко Е.А., Кандаурова Н.В. Накопление заряда в электрофоретической ячейке с МЖ
Были проведены исследования электрических свойств МЖ «магнетит в керосине» с ПАВ, олеиновой кислотой объемной концентрацией 5-12 %.
ВАХ ячейки, используемой в данной работе нелинейны, поэтому ячейку можно представить как конденсатор, накапливающий заряд на обкладках, величина которого оказалась равной 10‑5 Кл(эквивалентная емкость такого конденсатора порядка 10 мкФ.
При подаче на ячейку прямоугольного импульса напряжения с амплитудным значением ± 10 В зависимость напряжения на ячейке от времени имеет вид.
Получили функцию, вида
,
где , C1 – порядка 10 нФ; , C2 – порядка 10 мкФ.
Оптические исследования показывают, что время применения отражательной способности ячейки при подаче на нее импульсного напряжения и освещении светом длиной волны l = 504 нм, имеет тот же порядок, что и время зарядки конденсатора.
При подаче const напряжения на ячейку в ней течет ток, под действием которого частицы магнетита двигаются к электродам, образуя вблизи поверхностей проводящий слой, отделенный слоем ПАВ. В объеме ячейки образуется объемный заряд, который обуславливает проводимость ячейки.
Предполагается, что можно рассматривать ячейку как систему последовательно соединенных конденсаторов, обкладки которых представляют собой проводящий слой диоксида олова, слой проводящих частиц с непроводящим слоем ПАВ, проводящую среду, обусловленную возникновением объемного заряда. Эквивалентная схема ячейки:
.
Используя известные формулы электродинамики, была проведена оценка толщины слоя ПАВ для данной модели. Он оказался порядка 10-50 А, что по порядку величины соответствует толщине ПАВ на коллоидных частицах.
Ячейка обладает нелинейным сопротивлением R, что можно объяснить возникающими в объеме жидкости электрогидродинамическими течениями. В связи с нелинейностью J(U) удалось наблюдать автоколебания тока в схеме с ячейкой.
Полихрониди Н.Г., Кусова А.А. Электро- и магнитно-полевая аккумуляция электрического заряда в ячейке с МЖ
Было проведено исследование эффектов, сопутствующих дрейфу частиц дисперсной фазы, возбужденному течением МЖ типа магнетит в керосине плотностью 1,25 Мг/м3 и проводимостью 100 пСм/м.
В ходе экспериментов пришли к следующему заключению: т.к. МЖ является наследственной системой, то при непрерывном применении действующего на нее фактора последующее состояние зависит от предыдущего, является неравновесным, а равновесие может быть достигнуто с определенным запаздыванием.
Отсюда гистерезис, зависящий от темпа dU/dt наращивания поля при снятии ВАХ. Величина расщепления ВАХ зависит от времени релаксации и текучести МЖ. Поэтому возможен такой подбор темпа, при котором расщепление будет отсутствовать.
Аккумуляция заряда в КЯ под действием ЭП на МЖ может быть объяснена движением и концентрацией массивных комплексов и агрегатов, а также отдельных частиц дисперсной фазы вблизи электродов. Эти скопления сохраняются в течение 10-70 с. При замыкании электродов на нагрузку (измерительный прибор) наблюдается ток разрядки. Природа тока диффузионная. Механизм протекания сложен: внутри ячейки он обусловлен дрейфом ионов, вне – дрейфом электронов, образующими в цепи КЯ единый ток. Закон изменения тока задается процессом диффузии аккумулированных заряженных частиц. Причиной же аккумуляции является электрофорез тяжелых носителей заряда.
Аккумуляция заряда под действием МП на МЖ может быть объяснена как следствие фореза магнитных частиц под действием магнитной силы. Накопление заряда возможно, если перемещаемые частицы обладают адсорбированным зарядом или увлекают вязкостным механизмом другие заряженные микрообъекты.
Была разработана методика использования ВАХ и токов разряда обоих видов для расчета концентраций и подвижностей носителей.
I.2. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А. Анизотропия электропроводности дисперсных линейных систем, наведенная внешним воздействием
Чтобы полидисперсность не искажала измеряемые в опытах характеристики частиц, необходимо измерять анизотропию электропроводности дисперсных частиц, ориентируя их полями разной напряженности.
Вектор ориентирующего поля направлен по оси Z. Обозначили изменение электропроводности дисперсной системы, вызванное ориентацией частиц вдоль оси Z, через бкII, а в направлении, перпендикулярном оси – через бкI, где бкII = кII-к, бкI = кI-к.
В тех случаях, когда электропроводности дисперсной системы велики, воздействие ориентирующего поля приведет к ее увеличению за счет джоулева тепла, выделившегося при прохождении тока через дисперсную систему. Эти изменения могут быть сравнимы с измеряемыми величинами бкII и бкI. Однако ошибки при определении бкII и бкI в этом случае будут одинаковыми, и разность бк = бкII-кI исключает данную погрешность, поэтому эта величина исследовалась в данной работе.
Экспериментальные измерения бкII проводились с помощью кюветы, содержащей 4 зонда и 4 электрода. К электродам А и В подводилось воздействующее поле, вдоль оси АВ – направляли вектор МП, электроды С, Д – измерительные. 1-4 – зонды. В области зондов, расстояния между которыми значительно меньше, чем между электродами, ориентирующее и измерительные поля практически однородны. С помощью зондов 1 и 3 можно измерять относительное изменение электропроводности вдоль ориентирующего поля, а с помощью зондов 2 и 4 – относительные изменения электропроводности в перпендикулярном направлении, которые пропорциональны относительному изменению напряжений U13 и U24.
