Эффекты взаимодействия капель магнитной жидкости с электрическим и магнитным полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Введение.

Глава 1 Литературный обзор

1. 1 Общие сведения о магнитных коллоидах.

1.2 Поведение капли магнитной жидкости во внешних полях

1. 3 Получение и исследование эмульсий магнитной жидкости

Глава 2 Динамика формы капли магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях

2.1. Объект исследований

2.2. Методика исследования динамики формы капли МЖ во внешних полях.

2.3 Динамика формы капли МЖ во вращающемся магнитном поле.

2.4 Динамика формы капли МЖ во вращающемся магнитном и стационарном электрическом полях.

2 .5 Динамика формы капли магнитной жидкости во вращающемся и стационарном магнитных полях.

Глава 3. Магнитные эмульсии и их макроскопические свойства

3.1 Эмульсии на основе магнитной жидкостей.

3.2 Экспериментальные установки и методики исследования свойств магнитных эмульсий

3.3. Магнитные свойства магнитных эмульсий.

3.4 Свойства эмульсий с магнитной жидкостью в качестве дисперсионной среды

Актуальность проблемы. Магнитные жидкости - мелкодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков к настоящему времени хорошо изучены. Многолетний повышенный интерес к магнитным жидкостям и синтезированным на их основе разнообразным средам со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого применения привели к тому, что наука о них выделилась в самостоятельную область. Об этом говорит все возрастающее количество научных школ и публикаций по этой теме. Магнитные жидкости и синтезированные на их основе среды нашли широкое применение при контроле полей рассеяния магнитных головок и магнитных лент в приборостроении, при заполнении многоступенчатых магнитожидкостных уплотнений в машиностроении, для очистки загрязненных нефтью водоемов, при направленной транспортировке лекарств в медицине и других областях. При этом, ряд научных и прикладных проблем магнитных коллоидов связан с исследованиями равновесных форм ограниченных объемов (макро- и микрокапель) таких сред при воздействии на них как стационарных, так и изменяющихся во времени и в пространстве электрических и магнитных полей. Особый интерес представляют исследования вращающихся объемов магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях, в связи с перспективами моделирования на основе их результатов форм вращающихся небесных тел. Некоторые эффекты, наблюдающиеся в магнитных коллоидах и их приложение, непосредственно связаны с наличием в них микрокапельных образований, с более высокой концентрацией магнитной дисперсной фазы. Это привело к необходимости искусственного создания магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой, а также непосредственно магнитных эмульсий, в которых магнитная 4 жидкость может играть как роль диспергированной фазы, так и дисперсионной среды. Несмотря на перспективность применения таких сред, их физические свойства к настоящему времени изучены недостаточно. Таким образом, в настоящее время актуальными являются исследования динамики формы отдельно взятой капли магнитной жидкости, устойчивости и ее потере при воздействии на нее вращающихся и стационарных магнитных и электрических полей. Кроме того, несомненный интерес представляет также изучение и ансамблей капель магнитных жидкостей (магнитных эмульсий), в частности их электрических и магнитных свойств. Результаты исследований в этом направлении могут иметь как чисто научное, так и практическое значение.

Целью настоящей работы является изучение динамики и условий устойчивости формы отдельной взятой капли магнитной жидкости, вращающейся в электрическом и магнитном полях, а также исследование электрических, магнитных и структурных свойств ансамблей микрокапель магнитной жидкости - магнитных эмульсий.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

Впервые экспериментально исследована динамика и характер изменения формы капли магнитной жидкости, условия потери ее устойчивости во вращающемся магнитном при дополнительном воздействии стационарных электрического и магнитного полей. Установлено, что во вращающемся магнитном поле при наличии дополнительного воздействия со стороны электрического поля деформация капли с увеличением частоты поля может как увеличиваться с достижением разрыва капли, так и уменьшаться вплоть до стягивания первоначально деформированной капли в форму, близкую к сферической.

Исследованы электрические и магнитные свойства многофазных жидких намагничивающихся сред - магнитных эмульсий, связанные с 5 происходящими под воздействием магнитного поля процессами структурообразования. Определен вид функциональных зависимостей магнитной восприимчивости магнитной эмульсии с магнитной жидкостью в качестве диспергированной среды от температуры и концентрации микрокапель. Исследованы структурные и электрические свойства эмульсий с магнитной жидкостью в качестве дисперсионной среды. Показано, что в магнитном поле диэлектрическая восприимчивость таких сред становится тензорной величиной.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования динамики формы капель магнитной жидкости, а также электрических и магнитных свойств их ансамблей (эмульсий) представляют самостоятельный научный интерес и вносят вклад в развитие теории межфазных явлений на границе жидких намагничивающихся сред.

Обнаруженные особенности изменения формы вращающейся капли магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях могут быть использованы для прогнозирования работоспособности устройств и установок, в которых используются ограниченные объемы магнитной жидкости.

Полученные результаты исследования электрических и магнитных свойств эмульсий, синтезированных на основе магнитных жидкостей, могут служить основой для совершенствования методов магнитной дефектоскопии, контроля работы различного рода устройств, в которых под воздействием внешних воздействий может происходить эмульгирование используемой магнитной жидкости, а также создания элементов с управляемыми с помощью магнитного поля электрическими параметрами. 6

Автор защищает:

• экспериментальные результаты исследования динамики и характера изменения формы капли магнитной жидкости, условия потери ее устойчивости во вращающемся магнитном при дополнительном воздействии стационарных электрического и магнитного полей;

• результаты исследования структурных и магнитных свойства многофазных жидких намагничивающихся сред -магнитных эмульсий;

• экспериментальные результаты исследования и теоретическое обоснование обнаруженных особенностей структурных и электрических свойств эмульсий. с магнитной жидкостью в качестве дисперсионной среды и сделанный на их основании вывод о том, что в магнитном поле диэлектрическая восприимчивость таких сред становится тензорной величиной.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 111 наименований. Материал диссертации содержит 131 страницу, 37 рисунков.

Выводы:

• Впервые исследованы процессы намагничивания магнитных эмульсий. Обнаруженный перегиб на кривой намагничивания и максимум зависимости магнитнои

116 восприимчивости от напряженности магнитного поля интерпретирован на основе цепочечной модели структурообразования магнитной эмульсии.

• Проведены температурные и концентрационные исследования магнитной восприимчивости исходной магнитной жидкости и приготовленной из нее магнитной эмульсии, на основе результатов которых сделано предположение об ослаблении ориентирующего действия поля на дисперсные частицы, расположенные вблизи межфазной поверхности.

• Исследованы электрические свойства эмульсии с магнитной жидкостью в качестве дисперсионной среды. Получены результаты, позволяющие утверждать, что эффективная диэлектрическая восприимчивость таких сред в магнитном поле является тензорной величиной. Сделан вывод о возможности управления электрическими свойствами таких сред с помощью магнитного поля.

117