Исследование изменения отражательной способности и межфазного натяжения на границе "гомогенная жидкость - магнитная жидкость" в электрическом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На ппавах рукописи

Бойко Юлия Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ И

МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ «ГОМОГЕННАЯ ЖИДКОСТЬ - МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ» В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

^В 2015

005558725

Ставрополь - 2014

005558725

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Ставрополь

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кандаурова Наталья Владимировна

Официальные оппоненты: Соколов Виктор Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет приборостроения и информатики», и.о. ректора

Полунин Вячеслав Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», профессор кафедры нанотехнологий и инженерной физики

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский

ядерный университет «МИФИ»

Защита состоится «20» марта 2015 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.245.06 в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1, корп. 1, ауд. 416.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2 и на сайге: https://www.ncfu.ru

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.245.06 по физико-математическим наукам, кандидат физико-математических наук, доцент

Лисицын С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и направление исследования. С начала 60-годов прошлого века внимание исследователей привлекают намагничивающиеся жидкие дисперсные системы, получившие название «магнитные жидкости». Магнитные жидкости (МЖ) обладают уникальным сочетанием электрических, оптических и магнитных свойств, что делает такие жидкости привлекательными объектами для исследования и открывает широкие возможности их технического использования.

Актуальность данного исследования обусловлена тем, что изменение коэффициента отражения от границы «гомогенная жидкость - магнитная жидкость» в электрическом поле (увеличение более чем в 10 раз) представляет собой уникальное явление, которое может быть использовано в системах отображения информации, создании принципиально новых оптронов и др. устройств. Проведенные исследования позволят получить экспериментальные результаты и новые знания об образовании приповерхностного нанослоя на границе магнитной и гомогенной жидкости, а также предложить адекватный физический механизм динамики образования приповерхностного слоя, возникновения неустойчивости и изменения эффективного межфазного натяжения в электрическом поле (ЭП).

Целью диссертационного исследования является изучение процессов, происходящих на границе магнитной и гомогенной жидкостей в электрическом поле, с помощью физических и численных (компьютерных) экспериментов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались комплексный подход измерения оптических и электрических параметров межфазного слоя и методы измерения коэффициента межфазпого натяжения, а также численные и графические методы, включенные в математические пакеты Maple 15 и MathCad 13.

Объектом диссертационного исследования является слой

магнитодиэлектрического коллоида, представляющего собой магнитную жидкость типа «магнетит в керосине», образованный на границе взаимодействия гомогенной (глицерин, вода) и магнитной жидкостей.

Предметом исследования является изменение физических свойств межфазного слоя магнитной жидкости (величина отражательной способности, удельное сопротивление, удельная межфазная энергия) при воздействии внешнего электрического поля,

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать процесс отражения на границе двух иесмешивающихся жидкостей, одна из которых содержит частицы дисперсной фазы, в электрическом поле и проанализировать полученные результаты;

- оценить зависимость толщины межфазного слоя по интерференции падающих лучей в нанопленке, состоящей из частиц твердой фазы магнитной жидкости, от напряжения на электродах;

- рассчитать значения удельного сопротивления магнитной жидкости и удельного сопротивления межфазного (нриэлектродного) слоя;

- построить термодинамическую модель образования межфазного слоя на границе иесмешивающихся гомогенной и магнитной жидкостей;

- оценить изменение удельной межфазной энергии на границе «гомогенная жидкость — магнитная жидкость» в электрическом поле.

Научная новизна:

- впервые обнаружено изменение отражательной способности межфазной поверхности «гомогенная жидкость (глицерин, вода) - гетерогенная жидкость» в многослойной структуре под действием электрического поля. Установлено, что для межфазной границы «глицерин - магнитная жидкость» отражательная способность в электрическом поле увеличивается примерно на два порядка, для границы «вода -магнитная жидкость» - примерно на порядок, а также показано, что межфазный слой на границе двух жидких сред представляет собой тонкую интерферирующую пленку;

- впервые обнаружено уменьшение удельной межфазной энергии на границе двух иесмешивающихся жидких сред, одна из которых магнитная жидкость, в электрическом поле.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современного высокоточного оборудования и стандартных

методов исследования. Полученные экспериментальные данные и результаты компьютерных экспериментов хорошо согласуются между собой и не противоречат основным положениям физики. Основные результаты и выводы были представлены и обсуждены на международных и Всероссийских научных конференциях.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что:

- полученные экспериментальные результаты позволяют оптимизировать параметры электрофильтрования диэлектрических жидкостей, а также могут быть использованы в технике определения толщины и оптических свойств многослойных структур на поверхности известных и перспективных материалов;

- разработана программа, которая может быть использована для сравнения экспериментальных результатов и данных, полученных в холе численных экспериментов, при исследовании отражательной способности на границе двух диэлектрических сред в электрическом поле.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментального исследования и компьютерных экспериментов, показавшие, что в электрическом поле изменяется отражательная способность поверхности «глицерин - магнитная жидкость» до двух порядков и «вода - магнитная жидкость» до одного порядка.

2. Результаты расчета толщины тонкой плёнки, образующейся в электрическом поле на границе «гомогенная жидкость — магнитная жидкость».

3. Расчет проводимости тонкой пленки и магнитной жидкости в объеме ячейки.

4. Термодинамическая модель, позволяющая интерпретировать полученные экспериментальные результаты комплексных оптических и электрических измерений.

5. Результаты экспериментального исследования и компьютерного расчета удельной межфазной энергии на границе «гомогенная жидкость - магнитная жидкость», показавшие уменьшение эффективной удельной межфазной энергии в электрическом поле.

Личный вклад соискателя. Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором путем участия в натурных экспериментах и в интерпретации физических процессов, проведении компьютерных экспериментов, а также сопоставлении экспериментальных данных с компьютерными расчетами.

В результате натурных и компьютерных экспериментов было обнаружено уменьшение межфазной энергии. Было предсказано влияние электрического поля на отражательную способность межфазной границы «гомогенная жидкость - магнитная жидкость». Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором. Научный руководитель участвовал в постановке задачи и обсуждении результатов. Соавторы принимали участие в натурном эксперименте и технических расчётах.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: международных научных конференциях «Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях» в городах Ставрополе и Кисловодске (12 - 15 мая 2009 года; 3-7 мая 2011 года); IV международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком 4)» в г. Ставрополе (2010 г.); 111 и IV Всероссийских научных конференциях «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» в г. Ставрополе, Ставропольском государственном университете; Северо-Кавказском федеральном университете (15 - 18 сентября 2011 года; 16-19 сентября 2013 года); V международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком 5)» в г. Ставрополе (2012 г.); II международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» в г. Ставрополе (13 - 16 марта 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, из них 17 статей, из которых 9 напечатаны в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, а также зарегистрированы 3 патента на изобретения и 1 программа для ЭВМ.

Структура и объем работы. Общий объем диссертации 152 страницы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложений, а также списка цитируемой литературы из 105 названий, из которых 10 па иностранных языках. Работа содержит 35 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основании обзора состояния вопроса определены цели и задачи исследования, обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, научная новизна, практическая ценность полученных результатов, а также приводятся положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации («Обзор современного состояния исследования приповерхностных явлении в магнитной жидкости») содержит анализ работ отечественных и зарубежных ученых, посвященный современным представлениям о приповерхностных и межфазных явлениях. Рассмотрены экспериментальные и теоретические исследования в этой области. В конце главы по результатам литературного обзора делаются выводы о степени изученности темы диссертационного исследования и формулируются актуальные, с точки зрения автора, проблемы, требующие дальнейшего продолжения научных исследований.

Вторая глава («Объект исследования и методики измерений») содержит описание объекта исследования и методики измерений. Описаны экспериментальные установки для исследования процессов, происходящих на границе раздела двух жидкостей, в частности изменения параметров отражения и удельной межфазной энергии при воздействии постоянного электрического поля. Приводятся методики измерения физико-химических характеристик магнитной жидкости, коэффициента межфазного натяжения, оптических характеристик МЖ и определения отражательной способности межфазного слоя.

Объектом исследования выбрана магнитная жидкость типа «магнетит в керосине» с олеиновой кислотой в роли ПАВ. В настоящей работе использовалась МЖ с объемной концентрацией частиц ф?— 0,001 - 11,7 об.%, причем концентрация магнетита в последнем образце подбиралась таким образом, чтобы плотность МЖ была равна плотности глицерина.

Измерение коэффициента межфазного натяжения проводилось на установке, показанной на рисунке 1. С помощью метода «сидящей» капли было измерено абсолютное значение удельной межфазной энергии на границе «вода - МЖ». метод счёта капель показал, насколько изменяется удельная межфазная энергия в ЭП.

а)

Более подробно исследование изменения удельной межфазной энергии на границе «гомогенная жидкость - МЖ» приведено в главе 4.

Для изучения изменения отражения от межфазной границы «гомогенная жидкость -МЖ» в электрическом поле была разработана

Рисунок 1 - Установка для измерения и собрана экспериментальная установка, коэффициента межфазного натяжения

на границе «вода - магнитная изображённая на рисунке 2. жидкость»: а) I. 2 - электроды; 3 - кран; 4 - пластиковая трубка с магнитной жидкостью; б) схема наконечника трубки: 1 - стальной капилляр - часть иглы от медицинского шприца; 2 -изолирующая пластиковая трубка

Третья глава («Исследование

отражательной способности границы раздела несмешивающихся

жидкостей») посвящена экспериментальному

компьютерному исследованию отражательной

5 7 X

/

/ / '©Г \

10

/V-©

1/"

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки: 1 - цифровой осциллограф; 2,11 -и фотодиоды; 3 — светофильтр, 8 - поляроид; 4 -гомогенная жидкость; 5 - магнитная жидкость; 6- кювета; 7,10 - электроды; 9 - лазерная способности указка (Х=650 нм); 12 - вольтметр

межфазного слоя на границе «гомогенная жидкость (глицерин, вода) - МЖ» в электрическом ноле.

Вначале проводилось экспериментальное исследование отражения от границы «глицерин (вода) - МЖ» в отсутствие поля. Физический эксперимент проводился для магнитных жидкостей с объемной концентраций твердой фазы <р?. -0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 об. %.

С помощью установки (рис. 2) было определено изменение отражательной способности 3?. Измерялся угол а , затем рассчитывался угол 0) с учетом того, что в кювету заливали глицерин и керосин. В ходе эксперимента фиксировали значение сигнала на фотодиоде 2- Глицерин был взят в качестве жидкого электрода потому,

1-10"'-

к

4 10"

что его показатель преломления больше,

1[Гз1. чем у керосина, что даёт возможность.

б.]0-з. изменяя концентрацию магнитной

жидкости, приближать её к показателю мо--- ' . преломления глицерина. Использовался

0 • ' • - ^ ,'ц фармацевтический глицерин. его

Объемная концентрация магнетита

Рисунок 3 - Зависимость отражательной проводимость на I - 2 порядка больше, способности от объемной концентрации чсм табличное значение проводимости

магнетита в отсутствие поля для

„ глицерина, вследствие чего падение

«1 = 1,47 ,©| = 60 : • - экспериментальные

напряжения происходит в основном на точки;-- расчетная зависимость ' г

слое МЖ.

При замещении керосина магнитной жидкостью концентрацией от 0,5 до 2,5 об. % регистрировали уменьшение отражательной способности (/2) - значение сигнала на

фотодиоде /2 <'ь а' начиная с концентрации 2.5 до 5 об. %. - увеличение отражательной способности, как показано на рисунке 3 ( /2 > 1\ )■ Если в эксперименте вместо глицерина использовали воду, то с увеличением концентрации МЖ наблюдался только рост отражательной способности.

В процессе эксперимента было установлено, что отражательная способность поверхности зависит от концентрации магнитной жидкости (в связи с изменением показателя преломления). Результаты компьютерного эксперимента согласуются с результатами физического эксперимента (рис. 3).

Известно, что воздействие электрического поля на ячейку с магнитной жидкостью приводит к образованию на границе с твердым электродом слоя МЖ высокой концентрации [1].

При подаче напряжения и на электроды в ячейке течет слабый ток, так как МЖ -слабопроводяший диэлектрик, поэтому нагреванием ячейки за счет джоулева тепла пренебрегаем [2]. При протекании тока частицы мигрируют к электродам, в результате происходит образование слоев: в приэлектродной области - слой толщиной с/, и на поверхности раздела фаз - слой высококонцентрированной (~ 30%) МЖ толщиной ¿/3. Электрические свойства межфазного слоя отличаются от свойств

магнитной жидкости в объеме. Возникает многослойная структура (рис. 4): слой наночастиц у электродов, слабоконцентрированная магнитная жидкость, концентрированный слой частиц на границе раздела двух сред, гомогенная жидкость.

".' '^'-'Л'Л'Л "'" 11 ' ' ■ ■ ■ I ' I 111.Р , Слон 1

' ....... ' ..... ........ плотноуиашваиных

Слой 2 - магнитная жидкость ^ частиц твердой фаты

; '/.'Л' ...... . : ^ СЛОН 3

............ ' ' "" .............ц.101 ноупаковаины.ч

частиц твердой фаш Слой 4 - гомогенная жидкость ^ МЖ^.г-з)

Рисунок 4 - Модель многослойной структуры: р4, р2, е4, е2 - удельные сопротивления и диэлектрические проницаемости гомогенной и МЖ соответственно; р1, р3 , 61, е3 -удельные сопротивления, диэлектрические проницаемости слоев частиц, образованных около верхнего электрода и на границе двух сред соответственно; й/|, о^ - толщины образованных слоев; с/4,о'2 - толщины гомогенной и МЖ соответственно; / - расстояние между электродами

В результате проведения физических экспериментов было обнаружено, что с включением электрического поля отражательная способность возрастает: в эксперименте с глицерином до 50 - 100 раз, если гомогенная жидкость вода - до 10 -12 раз. На приведенной осциллограмме (рис. 5а) кривая 1 - сигнал с фотодиода -связана с изменением отражательной способности 4Л, кривая 2 соответствует зависимости тока через ячейку от времени. На кривой 1 (рис. 5а) виден максимум, характерный для первого максимума при отражении от тонкой интерферирующей пленки.

Для обоснования экспериментального факта увеличения отражательной способности была построена модель образования концентрированного слоя на границе «гомогенная жидкость - МЖ» (рис. 6). Компьютерный эксперимент проводился с использованием теории распространения электромагнитных волн в слоистых диэлектрических средах, содержащих поглощающие элементы, приведенной в работе [3].

Зависимость отражательной способности поглощающей пленки, расположенной между двумя диэлектрическими средами, выражается формулой:

_ р|"2е"У:П +р;"з^"2У2П + 2р,2р23 соу(ф23 ~ф|2 +2и2у\)

2v.ii 2 2 -2у,п ~ , С)

е -'+р|2р23е - + 2р|2р23 С08(ф23 +ф|2 +2г;2Г1)

¿1.................

Слой 2 - магнитная жидкость

„• (Ль*;)

Слой 4 - гомогенная жил кость

h, м

a)

б)

Рисунок 5 - Результаты исследования отражательной способности межфазой поверхности «глицерин - магнитная жидкость (2.5 об.%)»: а) физический эксперимент - осциллограма. полученная при напряжении на электродах 200 В; б) компьютерный эксперимент - расчетная зависимость отражательной способности 5R от толщины слоя h

где Pi2' Р23 ~ выражения для амплитуды для поверхностей раздела 1-2 и 2-3 соответственно; ср12. Ф23 ~~ выражения для изменения фазы для поверхностей раздела 1-2 и 2-3 соответственно; и2-и2 ~ вещественные величины, выражающиеся через угол 0| падения и постоянные, характеризующие оптические свойства первой и второй сред (показатель преломления и поглощения); г] = 2nh/X , где X - длина волны падающего света; h - толщина тонкой интерферирующей пленки на границе раздела

фаз, соответствующая толщине межфазного слоя. Обозначения, принятые в(1), соответствуют обозначениям, принятым в [3].

Выражение (1) использовалось для определения зависимости отражательной способ-Рисунок 6 — Модель трехслойной

структуры: п\, п2, «3 - показатели ности 9? от толщины h межфазной пленки. С

преломления гомогенной жидкости; помощью Maple 15 построены зависимости межфазного слоя и МЖ соответственно;

©, - угол падения света на межфазную ЩИ) (рис. 5а, рис. 7) для глицерина и воды,

поверхность «гомогенная жидкость - взаим0действующих с МЖ. Установлено, что МЖ»: 02 и ©з - углы преломления на

границе ' раздела «гомогенная в поле (~ 200 В) отражательная способность

жидкость- межфазный слой» и на У! межфазной поверхности «глицерин - МЖ границе раздела «межфазный слой -

МЖ» соответственно (2.5 об.%)» увеличивается на два порядка,

отражательная способность границы «вода-

"3 ( среда 3 - магнитная жидкость

??2 0т/? л. среда 2 — концентрированный \ слой МЖ

среда ] - гомогенная N. жидкость

j МЖ (2,5 об.%)» увеличивается примерно в

10 раз.

11ри сравнении экспериментальной _2 кривой 1 (рис. 5а) и расчетных кривых

(рис. 56, рис. 7) был сделан вывод, что функции зависимостей отражательных

/ V*

способностей от толщины

интерферирующего слоя 9î(A) имеют

и 4-ю"8 8-кг8 1 т'-ю"71 б-ю"г общий характер. Подтвердилось

,, _ ,, hj м „ предположение, о том, что слой частиц,

Рисунок 7 - Зависимость отражательной

способности 91 на межфазной границе образованный на границе с гомогенной «вода - МЖ ( I об. %)» от толщины h слоя

при различных углах 0, падения на меж- жидкостью, представляет собой тонкую фазную поверхность : 1 - 0, = 7О°, 2 - интерферирующую пленку. На основании 0, = 60°, 3 - ©, = 50° данных осциллограмм, полученных с циф-

рового осциллографа GDS 71022 INSTEK, при напряжении на электродах 100, 150 и 200 В, были построены зависимости (рис. 8) отражательной способности от времени 4R(t) . Продифференцировав эти зависимости, можно судить о скорости d'il/dl изменения отражательной способности с течением времени (рис. 9).

Установлено, что в начальный период времени скорость изменения отражательной способности зависит от напряжения, подаваемого на электроды ячейки (чем больше напряжение U, тем выше скорость), с увеличением времени скорость изменения отражательной способности стремится к нулю.

Сопоставляя экспериментальную кривую 1 (рис. 5а) с расчетной (рис. 56), было оценено удельное сопротивление слоя на границе мевду глицерином и магнитной жидкос тью, а также удельное сопротивление магнитной жидкости.

По осциллограммам рассчитаны: значение удельного сопротивления магнитной

жидкости (2,5 об. %), составившее 5 • 107 Ом-м, и удельное сопротивление

межфазного (приэлектродного) слоя - 3-Ю10 Ом-м. Измеренное удельное сопротивление МЖ (2,5 об. %) но вольт-амперной характеристике на частоте 1 кГц

равно 3.2-107 Ом-м, что близко к удельному сопротивлению, измеренному по

осциллограмме. Таким образом, отношение удельных сопротивлений межфазного

(приэлектродного) слоя и слоя магнитной жидкости составило - 103 .

0.6-1

0.5

/Г

/ /

¥ ч

51*

Рисунок 8 - Зависимость отражательной Рисунок 9 - Зависимость скорости

способности от времени / при различных ЭЭД/Э/ изменения отражательной

значениях напряжения (У, подаваемого на способности при различных значениях

электроды ячейки: 1 - (У = 100 В; 2- напряжения от времени I: I - и = 100 В;

(/ = 150 В; 3-и = 200 В 2-^ = 150 В; 3 - (У = 200 В

В п. 3.3 диссертационной работы описан процесс образования межфазного слоя между двумя жидкими средами в электрическом поле с использованием термодинамического подхода. Модель многослойной структуры, изображенная на рисунке 4, представляет собой четырехслойный конденсатор. Электрическая часть свободной энергии многослойного диэлектрика, помещенного в однородное электрическое поле плоского конденсатора [4], имеет вид:

Гэл =

(2)

/=1

где 5 - площадь электродов; Е, - напряженности поля в соответствующих слоях, /' = 1..4.

После преобразования выражения (2), с учетом установившейся непрерывности плотности тока, формулу для электрической части свободной энергии многослойного

диэлектрика можно записать в виде:

£01Г5

е|р1 ах +Е2Р2 ~ -¿3~^4)+£ЗРЗ^З +£4Р4"14 (.РА + р2 (( - ¿1 - ¿3 - ¿4 ) + Рз^з + Р4^4 )2

В формуле (3) слагаемые числителя выражают электрические части свободной энергии определенных слоев; первое слагаемое - приэлектродного слоя, второе - слоя МЖ, третье - межфазного слоя, четвертое — слоя гомогенной жидкости. Последнее слагаемое числителя целесообразно учитывать, если удельное сопротивление гомогенной жидкости больше или сравнимо с удельным сопротивлением магнитной

жидкости (~ 107 Ом • м ), поскольку в противном случае оно будет пренебрежимо мало по сравнению с суммой первых трёх слагаемых числителя.

Если предположить, что удельные сопротивления (р]=р3), диэлектрические проницаемости (ё] =£3) и толщины (с/\ =¿/3) приэлектродного и межфазного слоев

равны, то первое и третье слагаемое числителя окажутся равными.

\

(4)

F

* Т/7

' z2p\(t-2-d3 -d4) + 2z3pjd3 + e4pjd4

(р2(£-2 d3 -d4) + 2- p3d3 + p4d4)2

2

Электрическая часть свободной энергии межфазного слоя определяется выражением:

элЗ

--ElEif^--(5)

2 (Pi^i + Pi(C-d\ -d3-d4)+p3d3 + p4d4)

С помощью математического пакета Maple 15 были построены графики зависимостей электрической части F3J13/N свободной энергии межфазного слоя, приходящейся на одну частицу, от его толщины d3 для различных значений напряжений на электродах. Установлено, что с увеличением напряжения максимальная толщина межфазного слоя остается постоянной. Однако под влиянием теплового движения в результате диффузионных процессов часть образующегося слоя «размывается». С увеличением напряжения частицы дисперсной фазы образуют слой плотноупакованных частиц, и под влиянием теплового движения размывается лишь незначительная часть слоя. На рисунке 10 приводятся зависимости максимальной толщины слоя d3maxkT на границе двух несмешивающихся жидкостей, который не размывается тепловым движением от напряжения U. Кривые приводятся в диапазоне напряжений, при которых целесообразно рассматривать свойства межфазного слоя.

С помощью экспериментальной установки (рис. 2) проводились исследования влияния полярности электрического поля на толщину и отражательную способность

межфазной поверхности между водой и МЖ. При проведении физических экспериментов при переключении полярности электродов, условно с «плюса» на «минус», отмечается уменьшение отражательной способности на границе «вода -МЖ», что позволяет предположить уменьшение толщины межфазного слоя на этой границе.

8 ю"

• 410"

410

„ 2-10'

100

200 и. в

а)

300

50

100

и, в

150

б)

Рисунок 10 - Зависимость максимальной толщины слоя на границе «глицерин -

МЖ» (а) и «вода - МЖ» (б) от напряжения С с учетом теплового движения для отношения удельных сопротивлений межфазного слоя и магнитной жидкости в объеме ячейки

р3/р2 = 103

В четвертой главе («Изучение удельной межфазной энергии на границе «гомогенная жидкость - магнитная жидкость» в электрическом поле») исследовалось изменение удельной межфазной энергии в электрическом поле на границе «гомогенная жидкость - МЖ».

Известно [5], что свободная энергия системы, отнесенная к единице поверхности слоя, представляет собой удельную межфазную энергию:

а =/75. (6)

Согласно этому определению и исходя из формулы полной свободной энергии [6], можно записать формулу удельной межфазной энергии системы:

4

системы

(7)

/=1

где /-'о| (71 ,Г, 1-)), /г02 (у2,7\К-,) - свободная энергия гомогенной и магнитной

жидкостей в отсутствие поля; Оо(Т) — удельная энергия межфазной поверхности в

отсутствие поля; У[ - плотность гомогенной жидкости; у-> - плотность магнитной

жидкости; Т - температура; У-у - соответственно объем гомогенной и магнитной жидкостей; 5 - площадь межфазной поверхности; Рэл , - электрическая часть свобод-

ной энергии каждого слоя системы (рис. 4).

В четвертой главе была введена величина эффективной удельной межфазной энергии с! эф как сумма удельной энергии межфазной поверхности сг0(Г) в

отсутствие поля и электрической составляющей удельной свободной энергии межфазного слоя - о элмежф слоя :

°эф ~ао{Т)+с!эЛМежф.сяоя

езРз^з

(8)

2 (р,^ +p2((-d, -d3 -d4)+p3d3 + p4d4) В ходе диссертационного исследования построена модель взаимодействия двух несмешивающихся гомогенных жидкостей и проведён компьютерный эксперимент по расчёту эффективной удельной межфазной энергии на границе слабопроводящих несмешивающихся гомогенных жидкостей. Установлено, что эффективная удельная межфазная энергия равна удельной межфазной энергии CTq слоя в отсутствие поля, поскольку оказалось, что изменение удельной межфазной энергии, обусловленное воздействием электрического поля, на границе гомогенных жидкостей можно не учитывать.

На основе термодинамической модели слоистой структуры (рис. 4) с помощью программного пакета Maple 15 построен график зависимости (рис. 11) эффективной удельной межфазной энергии на границе «вода - МЖ» от напряжения, подаваемого на электроды ячейки. Из графика (рис. 11) видно, что с увеличением напряжения

величина сэфуменьшается на 75 % для

0.03

а

•0.01

отношения удельных сопротивлении р3/р2 = ю3 с увеличением напряжения от 11 до 200 В.

С помощью компьютерного

эксперимента спрогнозирован факт уменьшения удельной межфазной энергии

Рисунок 11 - Зависимость эффективной удельной межфазной энергии а эф слоя на в электрическом поле, и это изменение

границе «вода - МЖ» от напряжения и при подтверждено экспериментально. Для

отношении р3/р2 = 10 этого на установке (рис. 1) был проведен

50

100

150

200

ряд экспериментов по исследованию удельной межфазной энергии на границе «вода-магнитная жидкость». В результате методом «сидящей капли» было рассчитано абсолютное значение удельной межфазной энергия капли МЖ, а методом счёта капель было измерено изменение удельной .межфазной энергии капли МЖ в воде [5].

Используя первый метод, при включении и отключении поля (200 В), наблюдалось изменение формы капли: она вытягивалась вдоль оси, перпендикулярной поверхности изолирующей вставки. Измерив геометрические параметры, а также зная плотности магнитной жидкости и воды, было рассчитано абсолютное значение

удельной межфазной энергии 0ц я (2>9± 0,15) ■ Ю-2 Дж/м2 в отсутствие

электрического поля (погрешность эксперимента составила ~ 5%).

Используя метод счёта капель, было подсчитано количество N всплывающих капель жидкости, вытекающей из трубки (объём жидкости V), и их скорость. Установлено, что при включении электрического поля количество образуемых капель при том же объеме вытекающей жидкости увеличивается. Это можно объяснить тем, что в результате включения электрического поля удельная межфазная энергия уменьшается и капля легче отрывается от поверхности изолирующей вставки. Метод счёта капель показал, что в электрическом поле (100 В) удельная межфазная энергия капли магнитной жидкости (1 об. %) уменьшается на 18%. При дальнейшем увеличении напряжения капля становится неустойчивой, начинает хаотически колебаться и отрывается. Неустойчивость плоской поверхности, приводящая к возникновению волн на межфазной поверхности, описана в работе [7].

Аналогичные эксперименты для капли керосина показали, что удельная межфазная энергия в электрическом поле не изменяется. Таким образом, экспериментально подтвердились результаты компьютерного эксперимента, предполагавшие уменьшение удельной межфазной энергии на границе двух диэлектрических жидкостей (одна и которых МЖ) при включении электрического поля.

В заключении сделаны основные выводы по результатам диссертационной работы.

В приложении представлены алгоритмы и листинги программ, позволяющих выполнять компьютерные эксперименты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Обнаружено увеличение величины отражательной способности на межфазной границе «гомогенная жидкость (глицерин, вода) - магнитная жидкость типа «магнетит в керосине» в электрическом поле.

2. Показано, что это увеличение связано с интерференцией в тонкой пленке, состоящей из плотноупакованных наночастиц магнетита (~ 10 нм), стабилизированных слоем молекул HOL, адсорбированных на частицах магнетита. Оценена зависимость толщины нанопленки от напряжения на электродах.

3. По оптическим и электрическим измерениям оценена проводимость тонкой пленки, которая оказалась на 3-4 порядка меньше проводимости МЖ (2,5%) в объеме.

4. Построена термодинамическая модель и рассчитана электрическая часть свободной энергии многослойной структуры (магнитная жидкость — слои концентрированной МЖ — гомогенная жидкость). Построенная модель позволяет интерпретировать экспериментальные результаты комплексных электрических и оптических измерений и предсказать уменьшение межфазной энергии а на границе «гомогенная жидкость - МЖ» в электрическом поле.

5. Впервые экспериментально обнаружено уменьшение межфазной энергии о на границе «гомогенная жидкость - магнитная жидкость» в электрическом поле.

По теме duccepmaifuu опубликованы следующие работы:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России:

1. Чеканов, В. С. Математическое моделирование образования слоя частиц на электродах при электроочистке / В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманина(Бойко) // Научно-технические ведомости СПбГТТУ. - 2010. - №2(97). - С. 177 - 182. - (Серия «Информатика. Телекоммуникации. Управление»),

2. Чеканов, В. В. Математическое моделирование поверхностного натяжения в электрическом поле / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бонко), Е. А. Бондаренко // Вестник Ставропольского государственного университета. - 2011. -Ч. 1.-№77 (6).-С. 260-263.

3. Чеканов, В. В. Математическое моделирование и экспериментальное исследование электроотражения на границе «вода - магнитная жидкость» / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Е. А. Бондаренко, В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманина(Бонко) // Вестник Ставропольского государственного университета. - 2011. - Ч. 1. - № 77 (6). - С. 290 - 295.

4. Чеканов, В. В. Исследование свойств межфазной поверхности «гомогенная жидкость - магнитная жидкость» в электрическом поле / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко), В. С. Чеканов // Вестник СевКавГТУ. -

2012. - Вып. 31 (2). - С. 21 -23.

5. Чеканов, В. В. Исследование параметров тонкой пленки на границе «глицерин - магнитная жидкость» в электрическом поле / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманина(Бойко) // Наукоемкие технологии.-2012,-№5.-С. 106- 112.

6. Чеканов, В. В. Термодинамика образования слоя наночастиц на межфазной границе «гомогенная жидкость — магнитная жидкость» в электрическом поле / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко), В. С. Чеканов // Вестник СевКавГТУ.-2012.-Вып. 32(3).-С. 16-22.

7. Рахманина(Бойко), Ю. А. Исследования параметров тонкой пленки на границе двух несмешивающихся жидкостей в электрическом поле / 10. А. Рахманина(Бойко) // Нелинейный мир. -2013. - Т. 11. - Вып. 4. - С. 261 - 265.

8. Чеканов, В. В. Влияние полярности электрического поля на отражательную способность границы раздела воды и магнитной жидкости / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманнна(Бойко) // Вестник СевКавГТИ. -

2013. - Вып. 14. - С. 137- 141.

9. Чеканов, В. В. О динамике образования слоя частиц в слабопроводящей жидкости / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманина(Бойко) // Вестник СевКавГТИ. - 2013. - Вып. 14. - С. 142 - 146.

Публикации в сборниках международных и Всероссийских научных и научно-технических конференций:

из них в сборниках международных научных и научно-технических конференций:

1. Рахманина(Бойко), Ю. А. Деформация капли магнитной жидкости в сильных магнитных полях / Ю. А. Рахманина(Бойко), В. С. Чеканов // Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях: материалы международной научной конференции (Ставрополь -Кисловодск, 12 - 15 мая 2009). - Ставрополь: НОУ ВПО «СевКавГТИ», 2009. -Т. IV.-Вып. 5.-С. 89-93.

2. Чеканов, В. С. Математическое моделирование деформации капли магнитной жидкости в магнитном поле / В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманина(Бойко) // Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях: материалы международной научной конференции (Ставрополь - Кисловодск, 12 - 15 мая 2009). - Ставрополь: НОУ ВПО «СевКавГТИ», 2009. - Т. IV. - Вып. 5. - С. 120 - 124.

3. Чеканов, В. В. Математическое моделирование взаимодействия частиц с межфазной поверхностью двух слабопроводящих жидкостей / В. В. Чекаиов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко), В. С. Чеканов // Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком 4): сборник IV международной научно-технической конференции. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С. 128-134.

4. Чеканов, В. В. О взаимодействии частиц с межфазной поверхностью двух слабопроводящих жидкостей / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко), В. С. Чеканов // Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях: материалы международной научной конференции (Ставрополь - Кисловодск, 3-7 мая 2011). -Ставрополь: СевКавГТИ, 2011. - Т. 1. - Вып. 6. - С. 241-247.

5. Чеканов, В. В. Исследование параметров тонкой пленки на межфазной границе «глицерин - магнитная жидкость» / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, В. С. Чеканов, Ю. А. Рахманина(Бойко) // Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком 5): сборник материалов

V международной научно-технической конференции. - Ставрополь: СевКавГТИ, 2012.-Ч. 2.-С. 260-265.

6. Чеканов, В. В. Экспериментальное исследование влияния полярности электрического поля на отражательную способность межфазной границы «вода -магнитная жидкость» / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко), А. В. Андреев // Актуальные проблемы современной науки: материалы международной научно-практической конференции (Ставрополь, 13 -16 марта 2013). - Ставрополь: НОУ ВПО «СевКавГТИ», 2013. - Т. 3. - Вып. 2. -С. 206-210.

в сборниках Всероссийскга научных конференций:

1. Чеканов, В. В. Об изменении свойств межфазной поверхности «вода (глицерин) - магнитная жидкость» в электрическом поле / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко)// Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: сборник научных трудов

III Всероссийской научной конференции (Ставрополь, 15 - 18 сентября 2011 г.). -Ставрополь: Издательско-информационный центр «Фабула», 2011. - С. 85 - 92.

2. Рахманина(Бойко), Ю. А. Исследование изменения отражательной способности и межфазного натяжения на границе «гомогенная жидкость - магнитная жидкость» в электрическом поле / Ю. А. Рахманина(Бойко) // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: сборник научных трудов

IV Всероссийской научной конференции (Ставрополь, 16-19 сентября 2013). -Ставрополь: Издательско-информационный центр «Фабула», 2013. - С. 204 - 209.

Патенты РФ

1. Пат. 2449382 Российская Федерация, МПК С09Р 9/30 С02Р 1/167. Индикатор разности потенциалов / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманнна(Бойко), В. С. Чеканов; заявители и патентоообладатели Чеканов В. В., Кандаурова Н. В., Рахманина(Бойко) Ю. А., Чеканов В. С. -№2010145516/28; заявл. 09.11.2010; опубл. 27.04.2012. Бюл. №12. -5 с. : ил.

2. Пат. 2446422 Российская Федерация, МПК С02П 1/167. Индикатор теплового излучения / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина(Бойко),

В. С. Чеканов; заявители и патентоообладатели Чеканов В. В., Кандаурова Н. В., Рахманина(Бойко) Ю. А., Чеканов В. С. -№ 2010145725/28; заявл. 09.11.2010; опубл. 27.03.2012. Бюл. №9. -4с.: ил.

3. Пат. 2446384 Российская Федерация, МПК G01H9/00 G01D7/00. Индикатор ультразвука / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахмаиина(Бойко), В. С. Чеканов; заявители и патентоообладатели Чеканов В. В., Кандаурова П. В., Рахманина(Бойко) Ю. А., Чеканов В. С. -№ 2010145515/28; заявл. 09.11.2010; опубл. 27.03.2012. Бюл. №9. -4 с. : ил.

Свидетельства регистрации программ для ЭВМ

1. Свидетельство № 2014611594 Российская Федерация. Программа визуализации зависимости отражательной способности от толщины и показателя преломления поглощающей пленки, расположенной между двумя диэлектрическими средами, в прикладном математическом пакете Maple : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / Н. В. Кандаурова, Ю. А. Бойко; заявители и правообладатели Н. В. Кандаурова, Ю. А. Бойко. -№ 2013661678 ; заявл. 16.12.2013 ; зарегистр. 06.02.2014.- 1 с.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чеканов, В. В. Электрооптические свойства многослойной структуры с магнитной жидкостью / В. В. Чеканов, И. В. Кандаурова, Е. А. Бондаренко,

A. С. Мараховский // Физико - химические проблемы магнитной жидкости : сборник научных трудов, - Ставрополь, 1997. - С. 140 - 143.

2. Электроконвекция и теплообмен / М. К. Болога, Ф. П. Гросу, И. А. Кожухарь, Институт прикладной физики АН МССР; Под ред. Г. А. Остроумова. - Кишинев : Штиинца, 1977. - 320 с.

3. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. - М. : Наука, 1973. - 720 с.

4. Чеканов, В. В. О термодинамике процесса образования наномасшатабных слоев магнитной жидкости в электрическом поле / В. В. Чеканов, Е. А. Бондаренко, Н. В. Кандаурова, В. С. Чеканов // 14-ая международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям : сборник научных трудов. -Плес, 2010.-С. 157- 162.

5. Адамсон, А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон. - М. : Мир, 1979.-568 с.

6. Чеканов, В. В. Математическое моделирование поверхностного натяжения в электрическом поле / В. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, Ю. А. Рахманина, Е. А. Бондаренко // Вестник Ставропольского государственного университета. -2011. - Ч. 1.-№ 77 (6).-С. 260-263.

7. Чеканов, В. В. Экспериментальное наблюдение изменения коэффициента отражения света от поверхности раздела сред «вода-магнитная жидкость» в электрическом поле, волновое движение и неустойчивость поверхности /

B. В. Чеканов, Н. В. Кандаурова, В. С. Чеканов И Журнал технической физики. -2014.-Т. 84.-В. 9.-С. 26-31.

Подписано в печать 15.01.2014 г. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л.1,4 Тираж 120 экз. Заказ № 775.

НОУ «СевКавГТИ», 355035, Ставрополь, пр. Кулакова, 8