Особенности электропроводности магнитной жидкости в магнитном поле

Смерек, Юлия Леонтьевна

Особенности электропроводности магнитной жидкости в магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Смерек, Юлия Леонтьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ставрополь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Особенности электропроводности магнитной жидкости в магнитном поле»

Автореферат диссертации на тему "Особенности электропроводности магнитной жидкости в магнитном поле"

На правах рукописи

СМЕРЕК Юлия Леонтьевна

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.13 — электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ставрополь, 2006

Работа выполнена в Ставропольском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Закинян Роберт Гургенович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Симоновский Александр Яковлевич,

кандидат физико-математических наук, доцент Ларионов Анатолий Юрьевич

Ведущая организация: Курский государственный

технический университет, г. Курск

Защита диссертации состоится 30 июня 2006 г. в 14 часов 00 минут на заседании регионального диссертационного совета ДМ 212.256.05 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Ставропольском государственном университете по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина 1, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ставропольского государственного университета.

Автореферат разослан «_» мая 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ---- Копыткова Л.Б.

** - '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокодисперсные коллоиды ферро- и фер-римагнетиков (магнитные жидкости) до настоящего времени остаются объектом, привлекающим внимание исследователей физических эффектов, обусловленных взаимодействием вещества с электромагнитным полем. Уникальное сочетание магнитными жидкостями текучести и способности взаимодействовать с магнитным полем способствовало развитию исследований их магнитомеханических, термомагнитных, магнито- и электрооптических свойств. Наблюдающиеся в магнитных жидкостях эффекты непосредственно связаны со свойствами и взаимодействием о дно доменных дисперсных частиц и, как следствие, со структурным состоянием системы. Изменение последнего может также происходить при воздействии как магнитных, так и электрических полей, однако в большинстве работ в основном исследовано взаимодействие магнитных жидкостей с магнитным полем. Вместе с тем, в последнее время появились работы, описывающие ряд интересных явлений, наблюдающихся в магнитных жидкостях в электрических полях (автоволны, накопление свободного заряда и структурная организация дисперсных частиц в приэлектродных слоях, особенности деформации микрокапельных агрегатов в электрических полях и т.д.). Построение моделей и интерпретация таких эффектов требуют знания особенностей процессов переноса заряда в магнитных жидкостях, установления типа носителей тока и механизмов электропроводности в таких системах, что указывает на актуальность исследований в этом направлении. Рассмотрение электрокинетических процессов, происходящих в обычных (немагнитных) коллоидных системах, достаточно полно проведено в работах Ду-хина С.С., Дерягина Б.В. и Шилова В.Н. Однако теоретическая разработка механизмов этих процессов в основном проведена для коллоидных систем, представляющих растворы слабопроводящих частица электролите. Вместе с тем, наиболее распространенные магнитные жидкости представляют собой дисперсию магнетита в углеводородной среде (керосине, минеральных и кремнийорганических маслах), что позволяет представить их в виде магнито диэлектрических сред с пренебрежимо малой электропроводностью. По-видимому, этим и объясняется недостаточность внимания, уделенного исследователями магнитных жидкостей изучению процессов электрической проводимости в таких системах. Кроме того, в ряде работ, посвященных исследованию электрических свойств магнитных жидкостей, на первое место ставилось обнаружение анизотропии электрической проводимости в постоянном магнитном поле, что могло бы иметь практическое

3 РОС. НАЦИОНАЛШГ

БИБЛИОТЕКА (¡.»Петербург

_09 200 £нт

значение. Однако оказалось, что воздействие постоянного однородного магнитного поля на магнитные жидкости не приводит к появлению существенной анизотропии ее электропроводности. Вместе с тем, положение может существенно измениться при добавлении в магнитную жидкость немагнитных частиц микронных размеров с достаточно большой электропроводностью. В этом случае изменение электропроводности системы в магнитном поле возможно за счет формирования структурной анизотропии немагнитных частиц при намагничивании окружающей их жидкой среды. Таким образом, вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости развития исследований электропроводности магнитных жидкостей, предусматривающее как экспериментальное, так и теоретическое обоснование ее механизма. Кроме того, актуальным является исследование электропроводности магнитных жидкостей с мелкодисперсным немагнитным наполнителем, результаты которого, кроме чисто научной, могут иметь также и практическую значимость.

Целью настоящей работы является изучение механизма электропроводности магнитных жидкостей в магнитном поле, исследование особенностей электрической проводимости таких сред при наличии в них немагнитных включений.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

Впервые экспериментально обнаружена зависимость электропроводности магнитной жидкости на основе керосина от воздействия неоднородного магнитного поля, на основании чего сделан вывод об участии дисперсных частиц магнетита в переносе заряда. Теоретически обоснован предложенный механизм электропроводности магнитной жидкости.

Впервые проведено теоретическое исследование зависимости напряженности электрического поля в плоской ячейке от величины приэлектродно-го заряда. Решена задача по определению удельной электрической проводимости и электроемкости приэлектроднош слоя магнитной жидкости.

Впервые экспериментально обнаружена анизотропия светорассеяния и электропроводности магнитной жидкости с мелкодисперсным немагнитным наполнителем в магнитном поле с относительно малой величиной его напряженности.

Предложен механизм и проведено теоретическое обоснование влияния однородного магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости при наличии в ней немагнитных включений (ансамбля частиц микронного размера) как с высокой, так и с низкой электропроводностью.

представление о механизме электропроводности магнитной жидкости, ее зависимости от воздействия неоднородных магнитных полей, что может бьггь использовано для прогнозирования возможности устойчивой работы технологических устройств, в которых используются магнитные жидкости.

Обнаруженные и исследованные эффекты влияния неоднородного магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости, а также анизотропии светорассеяния и электропроводности магнитной жидкости с немагнитными включениями в однородном магнитном поле открывают новые возможности в управлении макроскопическими свойствами магнитной жидкости и их применения в технике и приборостроении.

На защиту выносятся:

- экспериментальные результаты исследования влияния неоднородного магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости;

- механизм электропроводности магнитной жидкости и обоснование зависимости электропроводности магнитной жидкости от концентрации магнитной фазы;

- результаты теоретического исследования зависимости напряженности электрического поля в ячейке с магнитной жидкостью от величины при-элекгродного объемного заряда;

- результаты теоретического исследования удельной электрической проводимости и электроемкости приэлектродного слоя магнитной жидкости;

- экспериментальные результаты исследования анизотропии электропроводности магнитной жидкости с немагнитными включениями;

- механизм и теоретическое обоснование формирования анизотропии электропроводности магнитной жидкости с немагнитным мелкодисперсным наполнителем в магнитном поле.

Апробация рабшы

Основные результаты диссертации докладывались на 45-й научно-методической конференции преподавателей и студентов «CCI век - век образования» (Ставрополь, 2000), 46-й научно-методической конференции преподавателей и студентов (Ставрополь, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Химия твердого тела и современные микро- и на-нотехнологии» (Ставрополь, 2001), V региональной научно-технической конференции (Ставрополь, 2001), 47-й научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2002), 10-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям (Плес, 9-12 сентября, 2002), 48-й научно-методической конференции (Ставрополь, 2003), 1П Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Ставрополь, 2003).

Основное содержание диссертационной работы отражено в 14 научных публикациях автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 106 наименования. Материал диссертации содержит 155 страниц, 41 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определен объект исследования, обоснована актуальность темы исследования, сформулирована его цель. Оценены научная новизна и научная и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию физических свойств магнитных жидкостей. При этом большое внимание уделено работам, посвященным исследованию электрофизических свойств и особенностей электропроводности магнитных коллоидов. Кроме того, рассмотрены известные механизмы электропроводности обычных (немагнитных) дисперсных систем и общепринятые представления о внутреннем строении коллоидных растворов и распределении заряда на межфазной границе, проведен анализ роли двойного электрического слоя и поверхностной проводимости в электрокинетических процессах. Глава закончена анализом проведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертации.

Во второй главе описан объект исследования, методы и экспериментальные установки, использованные для исследования электрофизических свойств магнитных жидкостей при воздействии магнитных полей, с указанием погрешностей измерений. Приведено также описание методик, использованных для изучения структурного упорядочения немагнитных частиц, взвешенных в магнитной жидкости в случае воздействия постоянного магнитного поля. Описаны методы и установки для контроля параметров исследованных образцов - объемной концентрации, намагниченности насыщения, диэлектрической проницаемости. В качестве объекта исследования использовалась магнитная жидкость на основе керосина с магне-титовыми частицами и олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Объемная концентрация дисперсной фазы варьировалась в пределах 2 -17 %, в качестве немагнитного наполнителя использовались частицы микронных размеров из графита, эбонита и стекла.

В третьей главе приведены результаты экспериментального и теоретического исследования электропроводности магнитной жидкости, позволившие

сформулировать представления о механизме электропроводности магнитных жидкостей на углеводородной основе. Такого типа магнитные жидкости по своим электрофизическим свойствам должны быть близки к диэлектрическим средам вследствие малой концентрации ионов в дисперсионной среде. Вместе с тем в ряде экспериментальных работ [1-3] сообщается об обнаруженных эффектах, объяснение которых можно дать только при учете накопления зарядов на межфазных поверхностях, возможном при достаточно высокой концентрации ионов в объеме. В связи с этим было сделано предположение о возможности применения к магнитным жидкостям общепринятых в коллоидной химии механизмов электропроводности коллоидных растворов, предусматривающих адсорбцию ионов на поверхности дисперсной фазы и возникновение двойных электрических слоев (ДЭС) у поверхности частиц [4]. Необходимым условием правомерности такого предположения является наличие заряда у дисперсных частиц магнетита, с целью выяснения чего были проведены экспериментальные исследования возможности возникновения в магнитных жидкостях маг-нитосендиментационного потенциала и изменения электропроводности при воздействии на них неоднородного магнитного поля. Оказалось, что магнитосендиментационный потенциал возникает при воздействии неоднородного поля только на магнитные жидкости на основе воды, устойчивость которых обеспечивается за счет ионогенных поверхностно активных веществ. Возникновение такого потенциала в исследуемых жидкостях на основе керосина обнаружено не было. Было предположено, что дисперсные частицы в этих средах могут приобретать заряд при воздействии электрического поля. Экспериментальным подтверждением высказанного предположения может послужить изменение электропроводности магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле, связанное с действием на частицы магнетита, обладающего магнитным моментом, силы Рм = (р м • у)в. Действие этой силы, в зависимости от ее направления по отношению к напряженности электрического поля, в одном случае способствует переносу заряда в электрическом поле, в другом - противодействует. При этом на ионы диффузной части ДЭС магнитное поле не влияет (действие силы Лоренца пренебрежимо мало по сравнению с электростатической). В связи с этим было исследовано влияние неоднородного магнитного поля на электрическую проводимость магнитной жидкости в зависимости от взаимного направления напряженности электрического и градиента магнитного поля. Показано, что при помещении ячейки с магнитной жидкостью в неоднородное магнитное поле, сопротивление её увеличивается (рис.1).

Рис. 1. Зависимость сопротивления ячейки с магнитной жидкостью с объемной концентрацией <р = 17,1% от градиента неоднородного магнитного

поля: 1- £га«1ВТТЕ,2- £гас1БТ4'Е.

Л.МОм

18а

160

140

-1-1-1-1

0 12 3 4

5>гас1 В, 7л/ м

При этом, при совпадении направлений градиента магнитного поля и внешнего электрического поля сопротивление ячейки с магнитной жидкостью оказывается больше (кривая 1), чем при их противоположном направлении (кривая 2). Относительное изменение сопротивления ячейки с магнитной жидкостью с концентрацией магнитной фазы

Ф = 17,1 % в первом и во втором случаях, отнесенная к сопротивлению ячейки в отсутствии магнитного поля составляет 4,3 %, а при концентрации ф = 2% это отношение равно 14 %. То есть, наиболее существенно этот эффект проявляется при малых концентрациях магнитной фазы. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что дисперсные частицы магнетита приобретают заряд при воздействии электрического поля и участвуют в переносе заряда. Таким образом, носителями заряда в магнитной жидкости являются ионы примесей в дисперсионной среде (керосине), частицы магнетита с адсорбированными, потенциалопреде-ляющими ионами и ионами диффузного слоя. Этот вывод может служить основанием для применения общепринятых представлений о механизме электропроводности коллоидных растворов к магнитным жидкостям. Согласно этим представлениям, электрическая проводимость связана с двумя способами переноса заряда в электрическом поле. Первый из них определяется ионами, содержащимися в дисперсионной среде, миграция которых происходит по линиям тока, огибающим частицы дисперсной фазы, второй - с миграцией ионов диффузного двойного слоя мицеллы и движением заряженных частиц магнетита. Эта составляющая определяет поверхностную проводимость раствора.

Применение теории электропроводности коллоидных систем к магнитной жидкости, связано с решением задачи по определению потенциала вблизи проводящей частицы, окруженной диэлектрической оболочкой стабилизирующего поверхностно-активного вещества (ПАВ), осложненной поверхностной проводимостью, в слабопроводящей дисперсионной среде. Выражение для искомого потенциала найдено в виде:

<р0 (г, 0) = £orcos®í 1 ~

ек-ес ctsü0

2вс +£к £qctA

7 ■ (1)

где Е0 - напряженность внешнего электрического поля, <тг- плотность поверхностного заряда дисперсных частиц, а - удельная проводимость дисперсионной среды, ес— диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды,

b3+2а3 е

е - диэлектрическая проницаемость олеиновои кислоты, к = ——--— без-

Ъ3 -аъ

размерный параметр, зависящий от размеров частицы и толщины диэлектрического слоя олеиновой кислоты, а,Ъ- радиус частицы магнетита и диэлектрической оболочки соответственно.

При использовании (1), получено выражение для удельной проводимости магнитного коллоида:

_ ст . Reí

ст= — + 3ф<т/я--, (2)

F 1 - Reí w

где F =--структурный коэффициент, зависящий от фор, 3 £К-ЕС

1_-ф---

2 2ес + ек „2W-1

~ а „ . о „?ч

мы и рода частиц дисперснои фазы, Reí = —--выражение, определя-

ст/>г|

ющее поверхностную проводимость коллоидного раствора. В (2) введено SK — £

обозначение т = 1---— параметр, зависящий от диэлектрических

2ес +ек

свойств дисперсионной среды ес и слоя олеиновой кислоты е.

Используя формулу (2) и экспериментально определенное значение электрической проводимости коллоида и дисперсионной среды, можно рассчитать плотность поверхностного заряда частиц магнетита, которое

оказалось равным as = 5 • Ю-6 Определенное таким образом значение

поверхностной плотности заряда было использовано для расчета величины заряда, адсорбировавшегося на одной частице магнетита. На основе анализа таких расчетов был сделан вывод, что лишь одна из тысячи частиц магнетита оказывается заряженной. То есть, ионов в объеме магнитной жидкости оказывается недостаточно для заряжения всех частиц магнетита и создания сплошного распределения заряда на их поверхности, а на каждой из заряженных частиц магнетита адсорбируется лишь один ион определенного знака. Это указывает на невозможность образования на поверхности частицы магнетита двойного электрического слоя, и, соответственно, плотного распределения поверхностного заряда. Учитывая результаты, таким образом проведенных теоретических расчетов, а также экспериментально подтвержденный факт наличия у дисперсных частиц заряда, было проведено уточнение модели внутреннего строения исследованной магнитной жидкости. Предложено представление магнитной жидкости в виде мицелл, ядра которых представляют собой дисперсные частицы магнетита сферической формы вместе с адсорбированным на их поверхности плотным слоем молекул олеиновой кислоты. В результате адсорбции иона определенного знака из дисперсионной среды на поверхности частицы магнетита, она оказывается заряженной. Этот заряд жестко связан с самой частицей и относительно неё неподвижен. Находящиеся в дисперсионной среде ионы примесей противоположного знака (противоионы) начинают притягиваться к частице под действием электростатических сил притяжения. Положение противоиона вблизи поверхности частицы определяется действием электростатических сил и тепловым движением. Под внешним воздействием этот ион может перемешаться относительно поверхности частицы. Мицелла, состоящая из заряженной в результате адсорбции частицы и расположенным вблизи противоионом, в целом остаётся электронейтральной. Электропроводность системы осуществляется миграцией частиц магнетита, несущих заряд адсорбированного иона, во внешнем электрическом поле, ионов, располагающихся вблизи этих частиц, и ионов, не связанных с частицами дисперсной фазы. При этом миграция противоио-нов вблизи поверхности частицы магнетита происходит в результирующем электрическом поле, определяемом внешней разностью потенциалов и потенциалом локального поля заряженной частицы магнетита. Миграция же ионов, не связанных с частицами магнетита, происходит лишь под действием внешнего электрического поля. Известно, что ионную проводимость дисперсионной среды магнитной жидкости обеспечивают ионы примесей, образующиеся при синтезе магнитных жидкостей с помощью химического осаждения магнетита из солей железа. Подтверждением этого могут служить

результаты проведенного исследования электропроводности керосина при добавлении в него исходной магнитной жидкости, из которого следует что, даже небольшое добавление в керосин исходной магнитной жидкости значительно увеличивает его проводимость.

Использование зависимости электрической проводимости электролита от

концентрации ионов, следующей из теории Дебая-Хюккеля (ст = с\о - Ял/?) и предположения о линейной связи между концентрацией магнетита и концентрацией ионов примесей в магнитной жидкости позволило получить выражение, определяющее зависимость ее электропроводности от концентрации магнетита, на качественном уровне согласующееся с подобными зависимостями, ранее полученными экспериментально. В связи со сделанным выводом об участии в переносе заряда частиц магнетита отмечено, что уменьшение электропроводности магнитной "жидкости при повышении концентрации дисперсной фазы может быть обусловлено также уменьшением электрической подвижности дисперсных частиц вследствие их взаимодействия.

Наличие у дисперсных частиц заряда должно приводить к их электрофорезу в электрическом поле, с чем в работах [2, 3] связано обнаруженное повышение концентрации магнетита и появление объемного заряда в приэлектродной области. При использовании предложенного авторами этих работ механизма образования объемного заряда теоретически получено выражение для напряженности результирующего поля, созданного внешним электрическим полем и полем объемного заряда:

1 + е*/'" + 2 — 10

(3)

Е = Ее-Е^Ее--^ 1 - е-/'* - е-«"- •

е0Е(' ~ е /1

Из формулы (3) видно, что объемный заряд, образующийся в приэлектродной области в ячейке с магнитной жидкостью, экранирует внешнее электрическое поле, что, согласно расчетам, приводит к его понижению на величину около 15%. Полученное значение находится в разумном согласии с результатами экспериментальных исследований (25 %), представленных в работе [3].

Образование заряда в приэлектродном слое в ячейке с магнитной жидкостью оказывает влияние на его электрическую проводимость, а также приводит к изменению емкости приэлектродного слоя магнитной жидкости. Проведенные теоретические исследования позволили определить зависимость этих параметров от напряженности электрического поля. Полученные выражения соответственно имеют вид:

где Со - электроемкость приэлектродного слоя, а о - удельная проводимость приэлектродного слоя, О - коэффициент диффузии, Ее - напряженность внешнего электрического поля, Ер - напряженность результирующего поля, образующегося в ячейке с магнитной жидкостью в результате экранирования объемным зарядом.

В четвертой главе приводятся результаты исследования электрофизических свойств магнитной жидкости с немагнитным дисперсным наполнителем.

Воздействие магнитного поля на магнитные жидкости приводит к анизотропии ряда ее физических свойств, обусловленной ориентационным упорядочением и взаимодействием дисперсных частиц. Одним из ярких проявлений такого упорядочения являются обнаруженные ранее особенности оптических свойств магнитных жидкостей в магнитном поле - анизотропное светорассеяние и двойное лучепреломление. Вместе с тем, ожидаемого значительного влияния магнитного поля на электрические свойства магнитных жидкостей до настоящего времени не обнаружено. Однако положение может существенно измениться в случае добавления в магнитную жидкость дисперсного наполнителя - немагнитных частиц с достаточно большой электропроводностью. При воздействии магнитного поля на магнитную жидкость, содержащую немагнитные частицы, последние могут рассматриваться как «диамагнитные» частицы, имеющие магнит-

Рис. 2. Структурная организация в соответствующей происходяще-магнитной жидкости с немагнитным му в некоторых случаях агреги-(графитовым) наполнителем в магнит- рованию ультрадисперсных час-

ные моменты, направленные противоположно полю. Вследствие взаимодействия магнитных моментов происходит объединение немагнитных частиц в цепочечные структуры (рис. 2). Замечено, что численное значение напряженности магнитного поля, при котором наступает агрегирование немагнитных частиц, на порядок меньше напряженности,

ном поле.

тиц магнетита. Наблюдающаяся

структурная анизотропия в магнитной жидкости с немагнитным наполнителем послужила основанием для исследования особенностей ее электрофизических свойств в магнитном поле.

Были исследованы образцы, в которых в качестве немагнитного наполнителя использовались немагнитные частицы различной формы (сферической, цилиндрической) и частицы с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль). Как видно из рисунка 3, сопротивление слоя композиционной магнитной жидкости с графитовым наполнителем уменьшается, когда направления постоянного магнитного поля и тока совпадают, и увеличивается в случае направления поля перпендикулярно линиям тока (кривые 1 и 2 соответственно). Зависимости сопротивления композиционных магнитных жидкостей с другим видом наполнителя (эбонитового, а также сферической и цилиндрической формы) от величины и направления магнитного поля имеют аналогичный вид. Разность между значениями измеренных таким образом сопротивлений зависит от объемного содержания немагнитных частиц, при этом в случае проводящих (графитовых) частиц она достигает более высоких значений (20 %), чем для непроводящих частиц из эбонита (10 %).

Установлено также, что электрическое сопротивление магнитной жидкости при добавлении в неё дисперсных проводящих частиц увеличивается пропорционально их объемному содержанию (рис.4, кривая 1). При этом разность между значениями сопротивления в случае, когда электрическое и магнитное поля перпендикулярны и сонаправлены, определяется величиной объемного содержания немагнитных проводящих включений, возрастая при его увеличении (рис. 4, кривая 2).

Теоретическое рассмотрение электропроводности суспензий с частицами различной формы и различными диэлектрическими параметрами достаточно подробно проведено в работах Духина С.С. В частности, для суспензий с диэлектрическими частицами в пренебрежении поверхностной

Рис. 3. Зависимость сопротивления слоя магнитной жидкости с мелкодисперсным графитовым наполнителем от напряженности магнитного поля.

проводимостью, удельная проводимость суспензии определяется проводимостью дисперсионной среды, отнесенной к величине структурного коэффициента сопротивления

С.

(о =—), который, в свою F

очередь, является функцией объемной концентрации Фн дисперсных часТИЦ 1 + jtJPH_).

Í-Фн

Параметр к зависит от формы частиц, и для эллипсоидальной частицы, ориентированной осью i по полю, определяется выражением к1 = —-—, где А - фактор деполяризации эллипсоида в направ-1-4

лении оси /'. Происходящее под воздействием магнитного поля объединение взвешенных в магнитной жидкости частиц в цепочки приводит к изменению фактора деполяризации, и, соответственно, к изменению проводимости суспензии, что и наблюдается в эксперименте. Проведенный анализ фотографий цепочечных структур, сформированных магнитным полем из эбонитовых частиц показал, что среднее значение отношения h/a при максимальной напряженности магнитного поля, достигаемого в экспериментальных исследованиях, имеет значение около 1/6. В этом случае, согласно расчетам по представленным выше формулам, относительное изменение сопротивления, измеренного вдоль и перпендикулярно магшгг-ному полю, отнесенное к сопротивлению ячейки в отсутствии магнитного поля, должно составлять 15 %. Некоторое количественное несоответствие с экспериментально полученными результатами может быть связано с оседанием отдельных наиболее крупных частиц и понижением в связи с этим концентрации немагнитных частиц в объеме образца, а также с полидисперсностью реальных суспензий.

R, МОм я

Рис 4. Зависимость сопротивления слоя магнитной жидкости (кривая 1) и относительной разности сопротивлений в случае перпендикулярных и сонаправленных электрического и маг нитного полей (кривая 2) от объёмного содержания дисперсного наполнителя

Очевидно, механизм электрической проводимости в суспензиях с проводящими частицами имеет более сложный характер, чем в случае диэлектрических частиц. Это связано с особенностями искажения линий тока, определяемых не только геометрией частицы, но и наличием у нее заряда, а также с перераспределением зарядов под воздействием электрического поля. Действительно, благодаря индуцированию электрическим полем зарядов на поверхности частиц графита, вблизи них в растворе может происходить накопление ионов, являющихся носителями тока. В результате этого число носителей тока будет уменьшаться, что, вследствие сравнительно малой концентрации носителей заряда в магнитных жидкостях на углеводородных основах, приведет к уменьшению электрической проводимости системы. В пользу возможности такой ситуации могут свидетельствовать результаты исследования зависимости проводимости композиционной магнитной жидкости от концентрации графитовых частиц, показывающие, что ее увеличение приводит к повышению сопротивления измерительной ячейки (рис. 4, кривая 1). Теоретические расчеты показали, что степень уменьшения носителей тока зависит от ориентации анизотропных проводящих частиц по отношению к линиям тока. С учетом этого, а также эффекта объединения частиц графита при воздействии магнитного поля в цепочечные структуры, были получены выражения для предельного заряда частицы графита в случаях, когда магнитное поле параллельно и перпендикулярно электрическому полю:

8 г , е 1 АНЬ«!-«!

Щ = -тае0£0 • Ьс----;--(5ч

3 | _е\ + агсвш е\' ^

Соответственно, выражения для сопротивлений имеют вид: к - *Ь п

/См =-— Кх=-

Ь^Е, (7)

еп0 еп0

где Я о - сопротивление магнитной жидкости в отсутствии частиц графита, «о - концентрация зарядов в отсутствии магнитного поля, п - концентрация частиц графита. При использовании (5) - (7) получена формула для

сопоставления значений сопротивления слоя магнитной жидкости с графитовым наполнителем в случаях, когда направление магнитного поля совпадает с направлением тока и перпендикулярно ему:

—^ «1 - —- < 1 ш

Л± ещ ' ^

где Д<7 = - . Из полученного выражения видно, что сопротивление

ячейки в магнитном поле, параллельном электрическому полю, меньше, чем в магнитном поле, перпендикулярном электрическому полю.

Проведенные расчеты отношения сопротивлений исследованного образца при направлении магнитного поля параллельно и перпендикулярно линиям электрического тока (при максимальной напряженности поля, достигаемой в эксперименте) дали значение, в разумной степени согласующиеся с экспериментально полученным (0,95 и 0,87 соответственно). Отмечено также, что увеличение концентрации графитовых частиц, согласно (7), должно приводить к увеличению разности что, и наблюдается в эксперименте.

Таким образом, проведенные исследования позволили сделать вывод, что введение немагнитной дисперсной фазы в магнитную жидкость дает возможность управления ее электрическими свойствами с помощью воздействия относительно слабых магнитных полей. Благодаря этому такие композиционные магнитные жидкости могут найти применение в качестве материалов с управляемыми магнитным полем параметрами.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы, а также рекомендации по использованию полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате экспериментального исследования электропроводности магнитной жидкости установлено, что воздействие неоднородного магнитного поля приводит к изменению электропроводности магнитной жидкости, при этом при совпадении направлений градиента магнитного поля и внешнего электрического поля сопротивление ячейки с магнитной жидкостью оказывается больше, чем при их противоположном направлении. Показано, что наиболее существенно этот эффект проявляется при малых концентрациях магнитной фазы в исследуемом образце магнитной жидкости. Объяснение полученного эффекта дано на основе предложенной модели внутреннего строения магнитной жидкости, предполагающей существование

заряда на частицах магнетита, образованного адсорбированными потен-циалопределяющими ионами.

2. Предложен и теоретически обоснован механизм электропроводности магнитной жидкости, согласно которому процесс электропроводности магнитной жидкости осуществляется путем миграции частиц магнетита,

/> несущих заряд адсорбированного во внешнем электрическом поле иона,

ионов, располагающихся вблизи этих частиц, и ионов, не связанных с частицами дисперсной фазы. При этом миграция противоионов вблизи поверхности частицы магнетита происходит в результирующем электрическом поле, определяемом внешней разностью потенциалов и потенциалом локального поля заряженной частицы магнетита. Миграция же ионов, не связанных с частицами магнетита, происходит лишь под действием внешнего электрического поля.

3. Проведено теоретическое исследование зависимости напряженности электрического поля в ячейке с магнитной жидкостью от величины приэлек-тродного объемного заряда Расчет уменьшения напряженности электрического поля ячейки с магнитной жидкостью согласно теоретически полученному соотношению дает результат, удовлетворительно согласующийся с результатами ранее проведенных экспериментальных исследований.

4. Получены выражения для электроемкости и электропроводности при-элекгродного слоя магнитной жидкости. Показано, что электроемкость при-электродных областей совпадает с емкостью плоского конденсатора с единичной площадью электродов с точностью до коэффициента, величина которого определяется степенью компенсации внешнего поля объемным зарядом, образующимся в приэлектродной области в ячейке с магнитной жидкостью, а электропроводность приэлектродных областей пропорциональна квадрату напряженности внешнего электрического поля.

5. Исследована электропроводность магнитной жидкости с ансамблем добавленных в неё в качестве наполнителя немагнитных частиц различной формы (сферической и цилиндрической), а так же немагнитных частиц с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль). Показано, что проводимость магнитной жидкости с немагнитным диэлектрическим наполнителем уменьшается по сравнению с проводимостью самой магнитной жидкости, что согласуется с теоретическими представлениями об электропроводности дисперсных систем с непроводящими частицами. Наряду с этим, экспериментально показано, что электропроводность магнитной жидкости с немагнитным проводящим наполнителем (графитовым) также уменьшается при увеличении объемной доли графита в магнитной жидкости.

6. Исследована анизотропия электропроводности магнитной жидкости с дисперсным немагнитным наполнителем в магнитном поле, обусловленная структурной организацией частиц наполнителя. Показано, что при помещении слоя с такой композиционной средой в магнитное поле, сонап-равленное с электрическим, ее электрическая проводимость повышается,

и уменьшается при взаимноперпендикулярном направлении этих полей. ;

Величина относительного изменения проводимости в магнитном поле зависит от объемной концентрации наполнителя и может достигать 20 %.

7. Предложен механизм, объясняющий анизотропию электрических свойств магнитной жидкости с графитовым наполнителем в магнитном поле, основанный на зависимости процессов адсорбции носителей заряда частицами графита и образованных из них агрегатами от их ориентации относительно силовых линий электрического поля. Установлено, что в случае ориентации цепочечного агрегата из частиц графита вдоль электрического поля величина адсорбированного заряда оказывается меньше, чем в случае перпендикулярного расположения агрегата по отношению к линиям тока. При этом величина сопротивления магнитной жидкости с проводящим наполнителем в первом случае оказывается больше, чем во втором, что согласуется с результатами эксперимента.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Yu.I. Dikansky, J.G. Vegera, V.N. Suzdalev, Yu.L. Smerek. Magnetic fluid with nonmagnetic inclusions of various shapes // Magnetohydrodinamics. Vol. 38 (2002). - N 3. - P. 350.

2. Диканский Ю.И., Вегера Ж.Г., Суздалев B.H., Смерек Ю.Л. О магнитных жидкостях с дисперсией немагнитных включений различной формы // Сборник трудов 10-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. (Плес, 9 12 сентября 2002 г.). - Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2002. С. 470.

3. Смерек Ю.Л., Вегера Ж.Г. Исследование процессов структурооб-разования в магнитных жидкостях с мелкодисперсным наполнителем // Материалы 47 научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука - региону». - Ставрополь: Изд-во СГУ,2002.-С. 174.

4. Диканский Ю.И., Вегера Ж.Г., Суздалев В.Н., Смерек ЮЛ. О магнитных жидкостях с дисперсией немагнитных включений различной формы // Известия Еузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. - 2003. - № 1. - С. 37 - 40.

5. Смерек Ю.Л. Электрическая проводимость магнитной жидкости с мелкодисперсным наполнителем в магнитном поле // Вестник СГУ. - 2001-Вып. 28. - С. 184-187.

6. Смерек Ю.Л., Диканский Ю.И. Особенности проводимости магнитной жидкости с мелкодисперсным наполнителем в магнитном поле // Всероссийская научно-практическая конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». (Кисловодск, 24 - 30 сентября). -Ставрополь: Изд-во Сев-Кав ГТУ, 2001. - С. 110 -112.

7. Скибин Ю.Н., Смерек Ю.Л. Влияние содержания олеиновой кислоты на электропроводность магнитной жидкости // Материалы 45-научно-ме-тодической конференции преподавателей и студентов «CCI век - век образования». - Ставрополь: Изд-во СГУ, 2000. - С. 174.

8. Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л., Закинян А.Р. Об одном механизме электропроводности магнитной жидкости с графитовым наполнителем // Проблемы физико-математических наук: Материалы 48 научно-методической конференции. - Ставрополь: Изд-во СГУ, 2003. - С. 29 - 32.

9. Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л. К вопросу о влиянии объемного заряда на распределение электрического поля в конденсаторе с магнитной жидкостью // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: III Международная научная конференция. - Ставрополь: Изд-во Сев-Кав ГТУ, 2003.-С. 110-112.

10. Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л., Закинян А.Р. К механизму электропроводности магнитной жидкости с графитовым наполнителем // Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. - 2004. - № 3. - С. 52 - 55.

11. Смерек Ю.Л. Влияние концентрации олеиновой кислоты на электропроводность магнитной жидкости // ВНКСФ 11,- Екатеринбург, 2005. -С. 372 - 373.

12. Диканский Ю.И., Вегера Ж.Г., Смерек Ю.Л. Особенности электропроводности и теплопроводности магнитной жидкости с мелкодисперсным немагнитным наполнителем // Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. - 2005. - № 9. - С. 64 - 72.

13. Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л., Закинян А.Р. К вопросу о влиянии объемного заряда на электрокинетические свойства высокодисперсного коллоида вблизи электрода // Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. 2005.-№3.- С. 25-28.

14. Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л. Анизотропия электропроводности магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле //Вестник СГУ - 2006. -№43.-С. 89 - 92.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Диканский Ю.И., Цеберс А.О., Шацкий В.П. Свойства магнитных эмульсий в электрическом и магнитном полях // Магнитная гидродинамика,- 1990.-№ 1.-С. 32-38.

2. Падалка В.В. Взаимодействие коллоидных магнитных частиц с электрическим и магнитным полями: Дис... д-ра физ.-мат. наук. - Ставрополь, 2004. -302 с.

3. Падалка В.В., Закинян Р.Г., Бондаренко Е.А. К вопросу об образовании объемного заряда в приэлектродном слое разбавленной магнитной жидкости // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. - Естественные науки. - 2002.-№ 4. - С. 36 -38.

4. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. - Киев: Наукова думка, 1975. - 246 с.

Изд. лиц. серия ИД № 05975 от 03.10.2001 Подписано в печать 4.05.06

Формат 60x84 У16 Усл.печ.л. 1,22 Уч.-изд.л. 1,08

Бума! а офсетная Тираж 100 экз. Заказ 209

Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе Ставропольского государственного университета. 355009, Ставрополь, ул.Пушкина, 1

^ * Uf / / /

•i 1 5 О 2 3

(

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Смерек, Юлия Леонтьевна

ВВЕДЕНИЕ. и | ф

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

1.1. Физические свойства магнитных жидкостей.

1.2. Электрофизические свойства магнитных жидкостей.

1.3. Влияние двойного электрического слоя на электропроводность 36 дисперсных систем. Поверхностная проводимость.

1.4. Магнитная эмульсия и магнитная жидкость с немагнитными 42 У включениями.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

4 2.1. Объект исследования. 2.2. Методика измерения электрофизических свойств магнитной 53 I жидкости.

2.3. Методика и техника исследования структуры магнитных жидкостей и ее изменения под воздействием магнитного поля.

Ф ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МАГНИТНОЙ

ЖИДКОСТИ

3.1. Особенности электрических свойств магнитных жидкостей на 64 углеводородных основах.

3.1.1. Экспериментальное исследование электропроводности 66 магнитной жидкости.

3.1.2. Исследование механизма электропроводности магнитной 76 » жидкости.

3.2. Кинетика электродных процессов в слое магнитной жидкости.

3.2.1. Кинетика образования объемного заряда в приэлектрод- 89 ном слое магнитной жидкости.

3.2.2. Электроемкость приэлектродного слоя магнитной жидко- 95 сти.

3.2.3. Проводимость приэлектродного слоя магнитной жидко- 97 сти.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С НЕМАГНИТНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

4.1. Исследование влияния магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости с немагнитным наполнителем.

4.1.1. Магнитные жидкости с дисперсией немагнитных частиц сферической формы.

4.1.2. Электропроводность магнитной жидкости с немагнитным 106 непроводящим наполнителем сферической формы.

4.1.3. Магнитные жидкости с дисперсией немагнитных частиц 111 цилиндрической формы.

4.1.4. Магнитные жидкости с дисперсией немагнитных частиц 116 с низкой и высокой электропроводностью.

4.2. Влияние перераспределения заряда вблизи проводящей частицы 127 наполнителя на электропроводность магнитной жидкости.

4.2.1 Особенности формирования заряда у поверхности arperaта из графитовых частиц.

4.2.2. Проводимость магнитной жидкости с графитовым наполнителем.

Введение диссертация по физике, на тему "Особенности электропроводности магнитной жидкости в магнитном поле"

Актуальность проблемы. Высокодисперсные коллоиды ферро- и фер-римагнетиков (магнитные жидкости) до настоящего времени остаются объектом, привлекающим внимание исследователей физических эффектов, обусловленных взаимодействием вещества с электромагнитным полем. Уникальное сочетание магнитными жидкостями текучести и способности взаимодействовать с магнитным полем способствовало развитию исследований их магнитомеханических, термомагнитных, магнито- и электрооптических свойств. Наблюдающиеся в магнитных жидкостях эффекты непосредственно связаны со свойствами и взаимодействием однодоменных дисперсных частиц и, как следствие, со структурным состоянием системы. Изменение последнего может также происходить при воздействии как магнитных, так и электрических полей, однако в большинстве работ в основном исследовано взаимодействие магнитных жидкостей с магнитным полем. Вместе с тем, в последнее время появились работы, описывающие ряд интересных явлений, наблюдающихся в магнитных жидкостях в электрических полях (автоволны, накопление свободного заряда и структурная организация дисперсных частиц в приэлектродных слоях, особенности деформации микрокапельных агрегатов в электрических полях и т.д.). Построение моделей и интерпретация таких эффектов требуют знания особенностей процессов переноса заряда в магнитных жидкостях, установления типа носителей тока и механизмов электропроводности в таких системах, что указывает на актуальность исследований в этом направлении. Рассмотрение электрокинетических процессов, происходящих в обычных (немагнитных) коллоидных системах, достаточно полно проведено в работах Духина С.С., Дерягина Б.В. и Шилова В.Н. Однако, теоретическая разработка механизмов этих процессов в основном проведена для коллоидных систем, представляющих растворы слабопроводящих частиц в электролите. Вместе с тем, наиболее распространенные магнитные жидкости представляют собой дисперсию магнетита в углеводородной среде (керосине, минеральных и кремнийорганических маслах), что позволяет представить их в виде магнитодиэлектрических сред с пренебрежимо малой электропроводностью. По-видимому, этим и объясняется недостаточное внимание, уделенное исследователями магнитных жидкостей изучению процессов электрической проводимости в таких системах. Кроме того, в ряде работ, посвященных исследованию электрических свойств магнитных жидкостей, на первое место ставилось обнаружение анизотропии электрической проводимости в постоянном магнитном поле, что могло бы иметь практическое значение. Однако, оказалось, что воздействие постоянного однородного магнитного поля на магнитные жидкости не приводит к появлению существенной анизотропии ее электропроводности. Вместе с тем, положение может существенно измениться при добавлении в магнитную жидкость немагнитных частиц микронных размеров с достаточно большой электропроводностью. В этом случае изменение электропроводности системы в магнитном поле возможно за счет формирования структурной анизотропии немагнитных частиц при намагничивании окружающей их жидкой среды. Таким образом, вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости развития исследований электропроводности магнитных жидкостей, предусматривающее как экспериментальное, так и теоретическое обоснование ее механизма. Кроме того, актуальным является исследование электропроводности магнитных жидкостей с мелкодисперсным немагнитным наполнителем, результаты которого, кроме чисто научной, могут иметь также и практическую значимость.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: - выяснить возможность появления и исследовать особенности изменения электропроводности однородной магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле, в зависимости от направления градиента поля;

- сформулировать представления о механизме электропроводности однородной магнитной жидкости;

- выяснить эффекты, возникающие в магнитной жидкости в процессе электропроводности, и связанную с ними зависимость проводимости магнитной жидкости от концентрации магнитной фазы;

- выяснить возможность появления и исследовать особенности анизотропии электропроводности магнитной жидкости с немагнитными включениями в магнитном поле, направленном параллельно и перпендикулярно току.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

Впервые проведено теоретическое исследование зависимости напряженности электрического поля в плоской ячейке от величины приэлектрод-ного заряда. Решена задача по определению удельной электрической проводимости и электроемкости приэлектродного слоя магнитной жидкости.

Научная и практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования электропроводности магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле позволяют сформулировать представление о механизме электропроводности магнитной жидкости, ее зависимости от воздействия неоднородных магнитных полей, что может быть использовано для прогнозирования возможности устойчивой работы технологических устройств, в которых используются магнитные жидкости.

- результаты теоретического исследования зависимости напряженности электрического поля в ячейке с магнитной жидкостью от величины приэлек-тродного объемного заряда;

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на 45й научно-методической конференции преподавателей и студентов «XXI век- век образования» (Ставрополь, 2000), 46й научно-методической конференции преподавателей и студентов (Ставрополь, 2001), Всероссийской научно-практической конференции « Химия твердого тела и современные микро- и нано- технологии» (Ставрополь, 2001 г), V региональной научно-технической конференции (Ставрополь, 2001), 47й научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2002), 10-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям (Плес, 9-12 сентября, 2002 г.), 48й научно-методической конференции (Ставрополь, 2003), III Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро - и нанотехнологии» (Ставрополь, 2003).

Основное содержание диссертационной работы отражено в 14 научных публикациях автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 112 наименования. Материал диссертации содержит 156 страницы, 44 рисунка.

Заключение диссертации по теме "Электрофизика, электрофизические установки"

Выводы к главе 4

1. Исследована электропроводность магнитной жидкости при добавлении в неё в качестве наполнителя немагнитных частиц различной формы (сферической и цилиндрической), а так же немагнитных частиц с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль). Показано, что проводимость магнитной жидкости с немагнитным диэлектрическим наполнителем уменьшается по сравнению с проводимостью самой магнитной жидкости, что согласуется с теоретическими представлениями об электропроводности коллоидных растворов. Наряду с этим экспериментально показано, что электропроводность магнитной жидкости с немагнитным проводящим наполнителем (графитовым) так же уменьшается при увеличении объемной доли графита в магнитной жидкости.

2. Исследована анизотропия электропроводности магнитной жидкости при добавлении в неё в качестве наполнителя немагнитных частиц сферической и цилиндрической формы, а также немагнитных частиц с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль) в однородном магнитном поле. Показано, что при помещении слоя с такой композиционной средой в магнитное поле наблюдается процесс структурообразования, что приводит к анизотропии проводимости: проводимость композиционной среды повышается при помещении ячейки с исследуемой жидкостью в магнитное поле, сонаправленное с электрическим, и уменьшается при взаимноперпендику-лярном направлении этих полей. Величина относительного изменения проводимости в магнитном поле зависит от объемной концентрации наполнителя и достигает 20 %.

3. Предложен механизм, объясняющий анизотропию электрических свойств магнитной жидкости с графитовым наполнителем в магнитном поле, основанный на зависимости процессов адсорбции носителей заряда частицами графита и агрегатами из частиц графита от их ориентации, определяемой действием магнитного поля, по отношению к силовым линиям электрического поля. Установлено, что в случае ориентации агрегата из частиц графита вдоль электрического поля величина адсорбированного заряда оказывается меньше, чем в случае взаимноперпендикулярного расположения агрегата по отношению к линиям тока. При этом величина сопротивления магнитной жидкости с проводящим наполнителем в первом случае оказывается меньше, чем во втором, что согласуется с результатами эксперимента.

143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено комплексное исследование механизма электропроводности магнитной жидкости и магнитной жидкости с немагнитным наполнителем. Это позволило построить модель внутреннего строения магнитной жидкости и сделать следующие выводы о процессах происходящих в объеме образцов.

1. В результате экспериментального исследования влияния неоднородного магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости, установлено, что при совпадении направлений градиента магнитного поля и внешнего электрического поля сопротивление ячейки с магнитной жидкостью оказывается больше, чем при их противоположном направлении. Наиболее существенно этот эффект проявляется при малых концентрациях магнитной фазы в образце магнитной жидкости. Объяснение полученного эффекта дано на основе предложенной модели внутреннего строения магнитной жидкости, и связано с существованием заряда на частицах магнетита, образованного адсорбированными потенциалопределяющими ионами.

2. Предложен механизм электропроводности магнитной жидкости и проведено его теоретическое обоснование. Показано, что заряд частиц магнетита определяется адсорбцией единичного иона. Процесс электропроводности магнитной жидкости осуществляется миграцией частиц магнетита, несущих заряд адсорбированного иона, во внешнем электрическом поле, ионов, располагающихся вблизи этих частиц, и ионов, не связанных с частицами дисперсной фазы. При этом миграция противоионов близи поверхности частицы магнетита происходит в результирующем электрическом поле, определяемом внешней разностью потенциалов и потенциалом локального поля заряженной частицы магнетита. Миграция же ионов, не связанных с частицами магнетита, происходит лишь под действием внешнего электрического поля.

3. Проведено теоретическое исследование зависимости напряженности электрического поля в ячейке с магнитной жидкостью от величины приэлектродного объемного заряда. Расчет изменения напряженности электрического поля ячейки с магнитной жидкостью проведенный при использовании теоретически полученного соотношения дает результат, удовлетворительно согласующийся с результатами ранее проведенных экспериментальных исследований другими авторами.

4. Получены выражения для электроемкости и электропроводности приэлектродного слоя магнитной жидкости. Показано, что электроемкость приэлектродных областей совпадает с емкостью плоского конденсатора с единичной площадью электродов с точностью до коэффициента, величина которого определяется степенью компенсации внешнего поля объемным зарядом, образующимся в приэлектродной области в ячейке с магнитной жидкостью, а электропроводность приэлектродных областей пропорциональна квадрату напряженности внешнего электрического поля.

5. Исследована электропроводность магнитной жидкости при добавлении в неё в качестве наполнителя немагнитных частиц различной формы (сферической и цилиндрической), а так же немагнитных частиц с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль). Показано, что проводимость магнитной жидкости с немагнитным диэлектрическим наполнителем уменьшается по сравнению с проводимостью самой магнитной жидкости, что согласуется с теоретическими представлениями об электропроводности коллоидных растворов. Наряду с этим экспериментально показано, что электропроводность магнитной жидкости с немагнитным проводящим наполнителем (графитовым) так же уменьшается при увеличении объемной доли графита в магнитной жидкости.

6. Исследована анизотропия электропроводности магнитной жидкости при добавлении в неё в качестве наполнителя немагнитных частиц сферической и цилиндрической формы, а также немагнитных частиц с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль) в однородном магнитном поле. Показано, что при помещении слоя с такой композиционной средой в магнитное поле наблюдается процесс структурообразования, что приводит к анизотропии проводимости: проводимость композиционной среды повышается при помещении ячейки с исследуемой жидкостью в магнитное поле, сонаправленное с электрическим, и уменьшается при взаимноперпендикулярном направлении этих полей. Величина относительного изменения проводимости в магнитном поле зависит от объемной концентрации наполнителя и достигает 20%.

7. Предложен механизм, объясняющий анизотропию электрических свойств магнитной жидкости с графитовым наполнителем в магнитном поле, основанный на зависимости процессов адсорбции носителей заряда частицами графита и агрегатами из частиц графита от их ориентации, определяемой действием магнитного поля, по отношению к силовым линиям электрического поля. Установлено, что в случае ориентации агрегата из частиц графита вдоль электрического поля величина адсорбированного заряда оказывается меньше, чем в случае взаимно-перпендикулярного расположения агрегата по отношению к линиям тока. При этом величина сопротивления магнитной жидкости с проводящим наполнителем в первом случае оказывается меньше, чем во втором, что согласуется с результатами эксперимента.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Смерек, Юлия Леонтьевна, Ставрополь

1. А.с. 966735 СССР Магниточувствительная эмульсия. / Чеканов В.В., Дроздова В.И. // Открытия. Изобретения. Пром. образы. Товарные знаки. -1982. -№ 38.

2. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1984,-519 с.

3. Барьяхтар Ф.Г., Горобец Ю.И., Косачевский Л.Я., Ильчишин О.В., Хи-женков П.К. Гексагональная решетка цилиндрических магнитных доменов в тонких пленках феррожидкости. // Магнитная гидродинамика. -1981.- N3.-0. 120 123.

4. Барьяхтар Ф.Г., Хиженков П.К., Дорман В.Л. Динамика доменной структуры магнитных жидкостей. // Физические свойства магнитных жидкостей. Свердловск, 1983. С. 50 - 57.

5. Баштовой В.Г., Берковский Б.М., Вислович А.Н. Введение в термодинамику магнитных жидкостей. М.: ИВТАН, 1985. - 188 с.

6. Беджанян М.А. Эффекты взаимодействия капель магнитной жидкости с магнитным и электрическим полями: Дис. канд. физ.-мат. наук. -Ставрополь. СГУ. - 2002 г.

7. Берковский Б.М., Краков М.С., Медведев В.Ф. Магнитные жидкости -новый технологический материал. М.: ИВТАН СССР, 1984. - 36 с.

8. Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. -М.: Химия, 1989.-239 с.

9. Берковский Б.М., Фертман В.Е. К выбору феррожидкости для высокоскоростного магнитожидкостного уплотнителя. // Магнитная гидродинамика. 1980. № 1. С. 135 - 136.

10. Ю.Бибик Е.Е Влияние взаимодействия частиц на свойства феррожидкостей. // Физические свойства магнитных жидкостей. Свердловск. УНЦ АН СССР, 1983.-C.3-21.

11. П.Бибик Е.Е. Взаимодействие частиц в феррожидкостях. // Физические свойства и гидродинамика дисперсных ферромагнетиков. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1977. - С. 2 - 19.

12. Бибик Е.Е. Приготовление феррожидкости. // Коллоидный журнал. -1973. -т.З -№ 6. С. 1141-1142.

13. Блум Э.Я., Кронкалс Г.Е., Озолс Р.Я. Термо- и магнитофорез в магнитных жидкостях. Материалы 3-й всесоюзной школы-семинара по магнитным жидкостям. - М.: Изд. МГУ, 1983. - С. 28 - 29.

14. Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнитные жидкости. Рига: Зинатне, 1989.-386 с.

15. Бондаренко Е. А. Механизм формирования многослойной структуры магнитной жидкости в приэлектродной области: Дис. канд. физ.-мат. наук. Ставрополь. -СГУ. - 2001 г.

16. Вегера Ж.Г. Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при взаимодействии с электрическими и магнитными полями: Дис.канд. физ.-мат. наук. Ставрополь., 2004. - 165 с.

17. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975. - 512 с.

18. Горобец Ю.И., Ильчишин О.В., Макмаак И.М. Особенности процесса структурообразования в пленках ферромагнитной жидкости. // Магнитная гидродинамика. 1988. - № 4. - С. 44 - 48.

19. ГОСТ 6581-85 Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний. Переизданное.

20. Диканский Ю.И. Вегера Ж.Г. Суздалев В.Н. Смерек Ю.Л. О магнитных жидкостях с дисперсией немагнитных включений различной формы. // Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. 2003. № 1, -120 с.

21. Диканский Ю.И. Дифракционное светорассеяние тонким слоем магнитной жидкости с немагнитным наполнителем. // 8-Всероссийская конференция по магнитным жидкостям. Плес, 1998.

22. Диканский Ю.И. Экспериментальное исследование взаимодействия частиц и структурных превращений в магнитных жидкостях: Дис. .канд. физ.-мат. наук. Ставрополь: Пединститут. 1984. - 125 с.

23. Диканский Ю.И. Эффекты взаимодействия частиц и структурнокине-тические процессы в магнитных коллоидах.: Диссертация . доктора физико-математических наук. Ставрополь, 1999 г.

24. Диканский Ю.И., Беджанян М.А., Киселев В.В. Особенности намагничивания магнитных эмульсий // Магнитная гидродинамика. 1995-№1.-С. 19-23.

25. Диканский Ю.И., Бондаренко E.H., Рубачева В.И. Дифракция света на структурных образованиях в магнитной жидкости. // Материалы 13-го Рижского совещания по магнитной гидродинамике. — Рига. 1990. -Т.З.-С. 15-16.

26. Диканский Ю.И., Катранова Н.И., Темирчев Г.И. О дифракции света в агрегированной магнитной жидкости. // Материалы 18-й Всесоюзн. конф. по физике магнитных явлений. Калинин, 1988. - С. 856 - 857.

27. Диканский Ю.И., Кожевников В.М., Чеканов В.В. Магнитная восприимчивость и электропроводность магнитной жидкости при наличии структурных образований. // В сб.: Физические свойства магнитных жидкостей. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983 . - С. 28 - 33.

28. Диканский Ю.И., Полихрониди Н.Г., Балабанов К.А. Магнитная восприимчивость магнитной жидкости с микрокапельной структурой. // Магнитная гидродинамика. 1988. 32. - С. 87 - 91.

29. Диканский Ю.И., Цеберс А.О., Шацкий В.П. Свойства магнитных эмульсий в эклектическом и магнитном полях // Магнитная гидродинамика. 1990. -№1. - С.32-38.

30. Диканский Ю.И., Чеканов В.В. Исследование двойного лучепреломления феррожидкости в сдвиговом течении в магнитном поле. // Материалы Всесоюзного семинара по проблемам намагничивающихся жидкостей. М.: МГУ, 1978. - С. 19.

31. Дроздова В.И. Об образовании агрегатов в эмульсиях магнитных жидкостей // В кн.: Физические свойства магнитных жидкостей. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983. - С. 34-40.

32. Дроздова В.И. Экспериментальные исследования структуры и магнитных свойств магнитных жидкостей: Дис. канд. физ.-мат. наук. -Ставрополь., 1983. 139 с.

33. Дроздова В.И., Скибин Ю.Н. Шагрова Г.В. Исследование структур разбавленных магнитных жидкостей по анизотропному светорассеянию. // Магнитная гидродинамика. 1987. - № 2. - С. 63 - 66.

34. Дроздова В.И., Чеканов В.В. Диффузия частиц феррожидкости в магнитном поле // Магнитная гидродинамика. 1981. - №1. - С. 61-63.

35. Дроздова В.И., Шагрова Г.В., Черемушкина A.B. Исследование структуры магнитных жидкостей, содержащих микрокапельные агрегаты. // Тезисы докладов 3-его Всесоюзного совещания по физике магнитных жидкостей. Ставрополь, 1986. - С. 49 - 50.

36. Духин С.С., Шилов В.Н. Диэлектрические свойства и двойной слой в дисперсных системах и полиэлектролитах. Киев.: Наукова думка. -1972.-206 с.

37. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. Киев: Наук, думка, 1975. - 246 с.

38. Духин С.С., Дерягин Б.Ф. Электрофорез. -М.: Наука, 1976. 328 с.

39. Духин С.С., Эстрела-Льопис В.Р., Жолковский Э.К. Электроповерхностные явления и электрофильтрование. Киев: Наук, думка, 1985, 288 с.

40. Ивановский В.И., Черникова JI.A. Физика магнитных явлений. М.: МГУ, 1981.-288 с.

41. Измайлов H.A. Электрохимия растворов. -М.: Химия, 1976.-484 с.

42. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа. Часть 1. -М.: Наука, 1971.-510 с.

43. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985. - 576 с.

44. Кикоин К. Таблицы физических величин. Справочник. М.: Атомиз-дат, 1976.- 1008 с.

45. Кожевников В.М., Морозова Т.Ф. Электрофизические параметры тонких слоев магнитной жидкости и её компонентов. // Сб. научных трудов, серия «Физико-химическая», вып. 3, СевКавГТУ, Ставрополь, 1999. С. 60-66.

46. Кузнецов В.И. Химические реактивы и препараты (справочник). — М. -Л.: ГНТИХЛ, 1953. 670 с.

47. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. - 1982, 623 с.

48. Ларионов Ю. А. Кинетика структурирования магнитного коллоида в приэлектродном слое. Дис. канд. физ.-мат. наук. Ставрополь. - Северо-Кавказский государственный технический университет. - 2002 г.

49. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз. -1959, 699 с.

50. Малозовский Ю.М., Розенбаум В.М. Ориентационное упорядочение в двумерных системах с дальнодействием // ЖТЭФ. 1990. - Т.98. - № 1. -С. 265-277.

51. Морозова Т. Ф. Формирование структуры в магнитной жидкости при воздействии поляризующего напряжения: Дис. канд. физ.-мат. наук.

52. Ставрополь. Северо-Кавказский государственный технический университет. - 2002 г.

53. Непер Д. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами. М.: Мир, 1986. -487 с.

54. Нетушил A.B. Модели электрических полей в гетерогенных средах нерегулярных структур. // Электричество. 1975. - № 10. - С. 1 - 8.

55. Падалка В. В. Взаимодействие коллоидных магнитных частиц с электрическим и магнитным полями: Диссертация . доктора физико-математических наук. Ставрополь, 2004 г. - 302 с.

56. Падалка В.В. Ориентационные и кинетические процессы в коллоидных растворах магнитных частиц в электрическом и магнитном полях. Дис. канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 1988. - 150 с.

57. Падалка В.В., Закинян Р.Г., Бондаренко Е.А. К вопросу об образовании объемного заряда в приэлектродном слое разбавленной магнитной жидкости. // Известия Вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2002 г. - № 4. - С. 36-38.

58. Панченков Г.М., Цабек J1.K. Поведение эмульсий во внешнем электрическом поле. М.: Химия, 1969. - 191 с.

59. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. -М.: Наука, 1981.-799 с.

60. Пшеничников А.Ф., Шурубур Ю.И. Расслоение магнитных жидкостей: условия образования и магнитные свойства капельных агрегатов. // Известия АН СССР. Сер. физика. 1987 .-Т. 51. N 6. - С. 1081 - 1087.

61. Райхер Ю.Л., Русаков В.В. Влияние вязкоупругости матрицы на коэффициент вращательной вязкости магнитной жидкости. // Труды 11 -ой международной плесской конференции по магнитным жидкостям.-2004. С. 171 - 178.

62. Робинсон Р.Я., Стоке Р.Г. Растворы электролитов. М.: Из-во иностранной литературы, 1963 г. - 646 с.

63. Розенцвейг P.E. Феррогидродинамика.- М.: Мир, 1989. 356 с.

64. Скибин Ю.Н. Молекулярно- кинетический механизм электро- и магнитооптических явлений в магнитных жидкостях.: Автореферат диссертации. доктора физ.- мат. наук. Ставрополь, 1996. - 34 с.

65. Скибин Ю.Н. Смерек Ю.Л. Влияние содержания олеиновой кислоты на электропроводность магнитной жидкости. // Материалы 45-научно-методической конференции преподавателей и студентов «XXI век- век образования». Ставрополь. - 2000 г.

66. Смерек Ю.Л. Электрическая проводимость магнитной жидкости с мелкодисперсным наполнителем в магнитном поле // Вестник СГУ. -Ставрополь. Вып. 28. - 2001. - С.184 - 187.

67. Стишков Ю. К., Егоров В. Г. Влияние примесей на скорость поверхностного зарядообразования в жидких диэлектриках. // Материалы V Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям. -М.: Из-во Московского университета, 1988. Т.2. - С. 100 - 101.

68. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. М.: Мир, 1993. -272 с.

69. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976. - 616 с.

70. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Наука, 1982. -320 с.

71. Теория диэлектриков./ Н.П.Богородицкий, Ю.М. Волокобинский, A.A. Воробьев, Б.М. Тареев.-М- Л.: Энергия, 1965 г.

72. Фертман В.Е. Магнитные жидкости.- М.: Вышэйшая школа, 1988. -184 с.

73. Фертман В.Е. Магнитные жидкости: Естественная конвекция и теплообмен.- Минск: Наука, 1978. 206 с.

74. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Ленинград.: Химия, 1984.-367 с.

75. Хейфец Л.И., Неймарк A.B. Многофазные процессы в пористых системах. М.: Химия, 1982. - 320 с.

76. Химический энциклопедический словарь. М.: Сов. Энциклопедия, 1983.-792 с.

77. Цеберс А.О. К вопросу о причинах образования микрокапельных агрегатов в коллоидах ферромагнетиков. // Магнитная гидродинамика. 1987.- N3.-C. 143- 145.

78. Чеканов В.В. Магнетизм малых частиц и их взаимодействие в коллоидных ферромагнетиках: Автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук. М., 1985. -27 с.

79. Чеканов В.В. Магнитная проницаемость эмульсий магнитной жидкости // В кн.: Материалы второй Всесоюзной школы семинара по магнитным жидкостям. - М: МГУ, 1981. - С. 55 - 56.

80. Чеканов В.В. О взаимодействии частиц в магнитных коллоидах. // Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. Саласпилс, 1980. -С. 69 - 76.

81. Чеканов В.В. О термодинамике агрегатов в магнитных жидкостях // В кн: Материалы второй всесоюзной школы семинара по магнитным жидкостям. М. 1981.-С. 15-16.

82. Чеканов В.В., Дроздова В.И., Нуцубидзе П.В., Скроботова Т.В., Чере-мушкина А.В. Изменение намагниченности магнитной жидкости при образовании агрегатов. // Магнитная гидродинамика. 1984. - № 1-С.3-9.

83. Чеканов В.В., Кандаурова Н.В., Бондаренко Е.А. Изменение концентрации магнитной жидкости вблизи электродов в электрическом поле. //Сборник научных трудов, серия "физико-химическая", Сев. Кав. ГТУ, Ставрополь, 1998. С. 80 - 83.

84. Чеканов В.В., Кандаурова Н.В., Бондаренко Е.А. Магнитоседимента-ционный потенциал в коллоидном магнетике. // Вестник СГУ. Ставрополь. - Вып. 38. - 2004. - С.85 - 87.

85. Чечерников В.И. Магнитные измерения. -М.: Изд. МГУ, 1969. 387 с.

86. Чуенкова И.Ю. Разработка и применение эмульсии магнитных жидкостей: Дис. канд. тех. наук Ставрополь — Политехнический институт. -1989.- 136 с.

87. Шелудко А. Коллоидная химия. М.: Мир, 1984. - 320 с.

88. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости. // Успехи физических наук.-1974. Т.112. - Вып.З. - С. 427 - 458.

89. Шлиомис М.И. Эффективная вязкость магнитных суспензий. // ЖЭТФ. -1971.-Т. 41.-Вып. 6.-С. 2411 -2418.

90. Электрические свойства полимеров. / Под ред. Б.И. Сажина. JL: Химия, 1986.-224 с.

91. Shliomis M.I., Raikher Yu.L. Exsperimental Investigations of Magnetic fluid // IEEE Transactions on Magnetic. 1980. - Vol. Mag - 16. - № 2. -P. 237-250.

92. Bacri J., Salin D. // J. Phys. (Letters). - 1982. - Vol. 43, N 22. - P, L 771 - L 777.

93. Dikansky Yu.I., Bedjanian M.A., Kiselyov V.V. Electrical properties of emulsion mediums // 9 International Conference of Magnetic Fluids, Bremen 2001.

94. Dikansky Yu.I., Vegera J. G., Suzdalev V.N., Smerek Yu.L. Magnetic fluid with nonmagnetic inclusions of various shapes. // Magnetohydrodi-namics. 2002. - Vol. 38. - No.3, - P.350.

95. Elmore W.C. Ferromagnetic colloid for studying magnetic structure // Phys. Rev. 1938. - V. 54. - N 4. - P. 309.

96. Elmore W.C. The magnetization of ferromagnetic colloids // Phys. Rev. -1938.-V. 54.-N12.-P. 1092- 1095.

97. Hall W.F., Busenberd S.N. Viscosity of magnetic suspensions. The Journal of Chemical Physics. - 1969. - Vol. 51. - N 1. - P. 137 - 144.

98. Kaiser R. Miskolczy G. Some Applications of Ferrofluid Magnetic Colloids // IEEE Transactions on Magnetic 1970 - V.6 - N.3. - C. 694 - 698.

99. Kaiser R., Rozensweig R.E. Study of ferromagnetic liquid. Rep. NASA-CR- 1407, 1969.-C. 88.

100. Neuringer J.L., Rozsensweig R.E. Ferrogydrodynamics // Phys. Fluids. -1964.-V.7.-N12.-P. 1927- 1937.

101. Rozsensweig R.E. Fluidmagnetic byoyancy // AIAA J. 1966. - V.4. -N10. - P 1751 - 1758.lll.Skjltorp A.T. The American Physical Society // Phys. Review letters -vol.51, Number 25-19 Dec. 1983.- P. 2306-2307

102. Stepanov V.l. Dinamic behavior of dilute colloid of magnetic holes // Moscow International Sumposium on Magnetism. 25-30. yune 2005. -Moscow., -C. 185- 186.