Самоорганизация слоя магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ
|
Данилов, Максим Иванович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Ставрополь
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2006
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.13
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Данилов Максим Иванович
САМООРГАНИЗАЦИЯ СЛОЯ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛЛОИДА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Ставрополь 2006
Работа выполнена на кафедре теоретической и общей электротехники Северо-Кавказского государственного технического университета
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Кожевников Владимир Михайлович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Соколов Виктор Васильевич
доктор физико-математических, наук, профессор Симоновский Александр Яковлевич
Ведущая организация: Уральский Государственный Университет
им. А.М. Горького (г. Екатеринбург)
Защита состоится 17 ноября 2006 года в 1440 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ 212.256.05 при Ставропольском государственном университете по адресу; 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1, ауд. 214.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ставропольского государственного университета.
Автореферат разослан « » октября 2006 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук
Колыткова Л.Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ;;; '
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов самоорганизации в слое магпитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля. Самоорганизация нещеетва — это один из чеамых удивительных процессов, который происходит и природе, так как сама жшнь есть процесс создания порядка из хаоса. Известно, что процессы самоорганизации обязательно связаны с коллективным поведением внутри системы, которая подвергается внешнему воздействию1 и виде притока вещества или энергии. Причем воздействие извне должно быть сильным, закритическим; при этом система переходит в особую нелинейную область, которую называют областью, удаленной от равновесия. Изучение этих процессов только начинается, и оказывается, что они открывают новые пути осмысления процессов, происходящих в природе. Благодаря этому уделено большое внимание исследованию процессов самоорганизации в.различных средах как со стороОы отечественных, так и зарубежных ученых. ;
Актуальность изучения процессов самоорганизации1 именно в слое магпитодиэлектрического коллоида заключается в простоте и Доступности экспериментальных исследований, результаты которых нозможио
V . г
использовать для понимания природы процессов, происходящих в других средах, в которых исследования затруднены. Процессы самоорганизации в слое магпитодиэлектрического коллоида в настоящее время малоизучепы. Однако уже полученные результаты позволяют заключить, что в такой среде при воздействии электрического поля возможно наблюдать и моделировать коллективные явления, характерные для химических реакторов, в которых могут протекать процессы с автокаталитическими стадиями, нервных волокон и других систем. Все это свидетельствует о том, что в настоящее: время актуальными являются исследования коллективных явлений в слое магпитодиэлектрического коллоида при воздействии на пего электрического поля. ...
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование особенностей процессов самоорганизации в слое магпитодиэлектрического коллоида под действием постоянного' электрического поля.
U соответствии с целi»io работы были поставлены следующие задачи:
- создание экспериментальной установки для исследования процессов самoopi^uiизации в слое магпитодиэлектрнческого коллоида при воздействии постоянного электрического поля (0+2000 кВ/м) и обуелоилепных ими особенностей электрически* свойств слоя коллоида различной толщины (20+220 мкм);
- изучение динамики процессов самоорганизации в слое магпитодиэлектрнческого коллоида различной толщины в зависимости от величины (0+300 В) и времени (0.1+30 минут) воздействия постоянного напряжения;
~ исследование особенностей электрических свойств слоя мапшто-диэлектрического коллоида, обусловленных наличием в нем процессов самоорганизации при различной величине и времени воздействия постоянного напряжения;
- представление па основе результатов экспериментальных исследований теоретического обоснования формирования и трансформации структурных образований н слое магпитодиэлектрнческого коллоида под дейсгвием постоянного электрического ноля.
Научная новизна диссертации 'заключается в следующем:
1. Визуально зарегистрированы процессы самоорганизации в слое магнитодиолектричсскот коллоида с объемной концентрацией твердой фазы Ф~2%, выражающиеся в виде динамических структурных образований, представляющих собой области повышенной концентрации частиц магнетита размером несколько миллиметров и раскручивающихся спиралей (спиральных волн) при воздействии постоянного электрического поля напряженностью до Еп-2000 кВ/м. Показано, что автополнооме процессы, наблюдаемые ранее на поверхности слоя магпитодиэлектрнческого коллоида, обусловлены динамикой структурных превращений (самоорганизацией) его дисперсной ; фазы при воздействии постоянного электрического поля.
2. Исследовано влияние визуально зарегистрированных процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, находящегося между электродами конденсатора, в котором эти процессы наблюдались. 1 Кжазано, что магнитодиэлектричеекий коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.
3. Изучены особенности процессов формирования и трансформации динамических структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины d0^220 мкм в зависимости от величины (0+300 В) и времени
(ОЛ-г-30 минут) воздействия постоянного напряжения. Определены диапазоны постоянных напряжений, при которых формируются структурные; образования различной формы и размеров; представлена динамика изменения структур с течеиием=времени. г ; ■ - ;
Т'4;: Экспериментально обнаружено фор м и рЬ пап и с -и гонких слоях магии тоди эл с ктр и чес ког о коллоида (с1=20-К25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и нихрей. Установлено, что вшникновение вихрей сопровождается образованием' «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в центре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волны.
5. При использовании известных теоретических разработок доя описания поведения проводя и; их частиц в слабой ро вод я щей . жидкости представлено обоснование формирования и трансформации структурных образований в, слое магнитодиэлсктрического коллоида под действием постоянного электрического
поля. . ■ - . 1
Достоверность представленных в диссертационной" работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением при проведении измерений1 стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Сформулированные • в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям 'физики' конденсированного состояния, электрофизики, физики магнитных явлений; согласуются с известным опытом исследования процессов сам сюр га и и за! щи в других средах. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и других научных конференциях.
Практическая ценность результатов заключается в том, что полученные результаты , исследования процессов самоорганизации в слое маги итод и эле ктр и чес кого коллоида при воздействии электрического поля внесли вклад в развитие физики коллоидных систем и фундаментальных.. проблем синергетики.
Обнаруженные и иеследовапиые ' процессы самоорганизации в слое м ал! и тод и электрического коллоида под действием электрического' поля могут быть' -1 использованы для создания управляемого колебательного ко ¡¡тура."' Результаты могут быть полезны при создании материалов с новыми свойствами, а также моделировании аномальных атмосферных явлений таких, как смерч]).
Автор защищает:
1. Экспериментально обнаруженные эффекты формирования и трансформации динамических структурных образований размером несколько миллиметров в слое мапштоднэдектрического коллоида различной толщины (2СН220 мкм) в зависимости сп величины ((Н2000 кИ/м) и времени воздействия (0.1-^30 мин) постоянного электрического ноля; явления возникновения в тонких слоях коллоида (d=2(H25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей.
2. Вывод об обусловленности автоволновых процессов на поверхности слоя магнитодичлектричсского коллоида динамикой структурных превращений (самоорганизации) в объеме его дисперсной фазы при воздействии постоянною электрического поля.
3. Результаты экспериментального исследования влияния процессов самоорганизации на проводимость слоя маги итодиэлсктри чес кого коллоида, показавшие, что коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду,
4. Анализ обнаруженпого формирования и трансформации структурных образований и слое магнитоднэлектричсского коллоида под действием постоянного электрического поля, основанный па известных модельных представлениях поведения проводящих частиц в ела бон ров од я щеп жидкости в электрическом ноле.
Апробации работы. Результаты исследований докладывались па III Interna liona) Conference Fundamental Problems of Physics (Kazan, 13 - 18 June, 2005r.); 10-ÍÍ и I Ьй Международных конференциях по магнитным жидкостям (Россия, Плес, 2002, 2004гг.); VII Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей» (Россия, Санкт-Петербург, 2003г.); International conference on Magnetic fluids (Delhi, 22 - 24 January, 2003r.); 11 Международной иаучно-практичсской конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Россия, Санкт-Петербург, 2006г.); XII Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006г.); IV Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибдалектрохимни, материаловедении и мсхапотроиикс» (ЮРГГУ, 1 lo вечерка се к, 2005г.).
По .теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, содержащего 88 наименований. Диссертация содержит 130 страниц, 45 рисунков и одну таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, задачи исследования, научная новизна и основный положения, выносимые на защиту.
Ь нсрвон главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию процессов самоорганизации в различных средах при внешних воздействиях, к которым относятся, в частности, процессы образования структур в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля. Обращено внимание на работы, в которых исследуется влияние различного типа структурных образований и их превращений на электрофизические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида.
На основании выполненного литературного обзора проведено обоснование выбранного направления работы и показана актуальность сформулированных во введении задач исследования.
Вторая глава содержит описание объекта и методов исследования. Объект исследования - слой магнитодиэлектрического коллоида, представляющий собой магнитную жидкость типа'«магнетит в керосине», поверхностно-активное вещество - олеиновая кислота. Описаны экспериментальные установки для исследования
, Ч- * ч, • I.-
процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействий постоянного электрического поля и электрических свойств слоя коллоида при наличии в 'нем процессов самоорганизации.' Приведены оценки погрешности измерений.
В экспериментальных исследованиях слой магнитодиэлектрического коллоида с объемной концентрацией твердой фазы ф=2% помещался в межэлектродное пространство плоскопараллельного конденсатора ¿=20^220 мкм с оптически прозрачными электродами, размер которых составлял 30*40 ммг. На электроды
: ■ ' г. ■■ ^ - г- ^
конденсатора-подавалось постоянное напряжение, воздействие которого приводило к процессам формирования структурных образовании различной формы и размера, визуально наблюдаемых п проходящем свете при папряжепностях электрического
поля Е =40^2000 кВ/м. Варьирование объемного содержания дисперсной фазы и
*'.. 1;1 ■ . ■ .1 ■
толщины слоя магнитодиэлектрического коллоида показало, что оптимальной концентрацией твердой фазы для визуальных наблюдений в проходящем свете процессов формирования в нем структур в наиболее широком диапазоне толщин исследуемого слоя £1=20-220 мкм является ц>~2%. В связи с этим все исследования были проведены для магнитодиэлектрического коллоида с таким значением концентрации. Отметим, что в отличие от предшествующих работ [I, 2], в которых
исследовались квазистатические структурные образования размером несколько микрои ири IX500 кП/м, в настоящей работе изучались процессы.формирования и трансформации динамических структурных образований, размер которых составляет О.ОЛ-З мм. Исследования динамических структурных образований проводились с помощыо визуальных наблюдений как в проходящем, так и в отраженном свете. Такие комплексные исследования были проведены с целью установления связи между процессами визуально наблюдаемых в проходящем свете структурных превращении и характером исследованных В.В. Чекаповым [3] с соавторами волновых процессов, которые наблюдались ими только в отраженном свете в виде интерференционной картины на поверхности слоя коллоида. Кроме того, с целью изучения особенностей электрофизических параметров слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловленных процессами формирования в нем структурных образований под воздействием постоянного электрического поля, исследовались эквивалентные емкость и активная проводимость последовательной и параллельной схем замещения конденсатора, заполненного исследуемым коллоидом. Исследования проводились как на постоянном, так н па переменном токе. Для пою исследуемый конденсатор с источником постоянного напряжения включался в последовательный колебательный контур со стандартной катушкой индуктивности и резистором. Па вход контура подавапось напряжение синусоидальной формы с действующим значением 1.5 В. Путем изменения частоты входного напряжения контур настраивался в режим резонанса. Резонансная частота изменялась в 'зависимости от толщины слоя коллоида и составляла 6 кГц при <3=20 мкм и 19 кГц при <4=220 мкм. Затем на электроды конденсатора подавалось постоянное напряжение. При этом контролировалось входное напряжение и его частота, постоянный п переменный ток контура, постоянное и переменное напряжение на конденсаторе и время его воздействия. Используя параметры контура, а также значения резонансного и постоянного тока контура при различном постоянном напряжении на конденсаторе, рассчитывались зависимости параметров схем замещения конденсатора от постоянного напряжения. Согласно приведенным расчетам погрешность определения таким способом емкости и активной проводимости конденсатора не превышала 2 %.
Отмстим, что переменное напряжение (Г=6— 19 кГц при (1-20-220 мкм) на электродах конденсатора, амплитуда которого для всех исследованных слоев магнитодиэлек] рмчсско! о коллоида составляла 5—10 В, не приводило к возникновению структурных образований в слое магпитодюлектрического коллоида.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования процессов* формирования и трансформации структурных образований (самоорганизации) в - слое маги итод и электрического коллоида при воздействии постоянного электрического поля (Е=(Ь-2000 кВ/м), Кроме того, представлены результаты исследования влияния процессов самоорганизации па элекчрофизические свойства слоя мапштодиэлекгрического коллоида.
С помощью визуальных наблюдений в проходящем свете слоя магнитодиэлектрического коллоида толщиной d=150 мкм было обнаружено возникновение и нем при воздействии постоянного электрического поля структурных образований, которые становятся видимыми при , достижении напряжения Un=6 В на электродах ячейки (конденсатора). С увеличением напряжения структурные образования изменяют свои формы и размеры (рис. 1). Для исследуемого слоя коллоида были установлены диапазоны постоянных напряжений, при которых' формируются структурные образования различной формы и размеров, причем выявлена связь между пространственными структурными образованиями,
■г - -
наблюдаемыми и проходящем свете, и пространственно-временными, структурами (волнами), наблюдаемыми в отраженном свете на поверхности слоя. Так, формируемая ячеистая структура в диапазоне 6+16 В (Таблица) соответствует изменению цвета поверхности слоя коллоида от темно-синего до малинового и отсутствием поверхностных ноли (рис.1, Un= 10 В). В диапазоне напряжений 16+26 В происходит изменение характера структурных образований, вызванных развивающейся неустойчивостью приэлектродного слоя, наблюдается разрыв ячеек и переход к лабиринтной структуре (рис.1, Un=24 В). В результате развития этой
Таблица
Способ Д иа 1 газон —-^уабл юления напряжений, В Проходящий свет Отраженный свет
6-16 Ячейки со средним размером 0.03-0.3 мм Изменение цвета от темно-синего до малинового, ,
16-26 Разрыв ячеек и переход к лабиринтной сфукчуре иозннкнцвениеи. синхронизация автоволн с одним илинесколькими пейемекерами
26-65 Лабиршлная структура Хабтичация поверхностных волн.
65-90 Переход лабиринтной структуры к ячеистой Возникновение спиральных волн, гасящих псйсмекеры Спиралы ¡ые волны
90-250 Увеличение ячеек до 3 мм
Ом - 110 В ип ~ 200 В Он « 250 В
Рис. 1 - Пронесем самоорганизации слоя машитолиэлсктричсского коллоила толщиной <1=150 мкм с концентрацией твердой фазы <р = 2% при воздействий постоянного напряжения: верхние фотографин - структурны« образования, наблюдаемые в проходящем свстс, нижние -икгерфсрсниионная картина, наблюдаемая в отраженном свете
неустойчивости происходит возникновение и синхронизация автоволн на поверхности слоя коллоида с одними или несколькими пейсмекерамн. При увеличении напряжения в диапазоне 26*65 В лабиринтные структурные образования увеличиваются в размерах {рис.1, ип=50 В), чш приводит к хаотизации поверхностных поли. Мри напряжении ип=65+90 В лабиринтная структура опять переходит в ячеистую, причем структурные образования становятся менее
выраженными, в отраженном свете кроме пейсмексров возникают спиральные волны, которые гасят пейсмекер, являющийся более медленным автоволновым источником. В диапазоне 90+250 В происходит увеличение размера ячеек, причем их средний размер составляет -3 мм. В этом случае в . отраженном свете наблюдаются спиральные волны. При напряжении 130+250 В наблюдается появление пузырьков газа (рис.1, ип=200 В и игг=250 В), которые хаотически движутся.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод об обусловленности автоволновых процессов, наблюдаемых ранее на поверхности слоя магнитодиэлектрического ■ коллоида, динамикой структурных превращений (самоорганизации) его дисперсной фазы при воздействии постоянного 1,а электрического поля.
«-л-^-ч-ч».^..»..,,^Обнаружено, что процессы самоорганизации, происходящие в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического
1
поля, оказывают существенное влияние на характер зависимости тока контура, содержащего конденсатор, заполненный такой средой, от постоянного
9-1 о*4
7-10 5 Hf
3 1 о"4
ип,13
0 50 100 150 200 250
Рис. 2 - Зависимость тока контура для напряжения (рис. .2). Установлено, что
толщины слоя чашитодюлстрического зависимость резонансного тока контура коллоида d = 150 мкм с <р = 2 % от
постоянного напряжения: 1 - резонансный ток от ПОСТОЯННОГО напряжения ИМССТ мак-коитура, измеренный на частоте f = 16 кГц, симум в диапазоне 16^26 В (рис.2, 2-постоянныйток кривая 1), который соответствует пере-
ходу ячеистой структуры в лабиринтную, а также возникновению и синхронизации автоволн. В этом же диапазоне напряжений также наблюдается нелинейность зависимости постоянного тока контура от постоянного напряжения (рис.2, кривая 2). По экспериментальным данным тока контура и постоянного напряжения:, па конденсаторе рассчитаны эквивалентные активные проводимости параллельной схемы замещения конденсатора на постоянном и переменном токе (рис.3). , ;
Зависимость активной проводимости конденсатора на постоянном , токе от постоянного напряжения (рис.3, кривая 1) была аппроксимирована суммой экспонент (рис.3, кривая 2):
GmKT(Un)=~^6-lQ~6e ls + 7 - 10'6е 2ft -И.6-НГ* См. (1) Оказалось, что зависимость активной проводимости конденсатора на переменном токе от постоянного напряжения (рис. 3, кривая 3) также может быть
9-10
7-10
5 ■ 10
1 10
,-бт сз, см
аппроксимирована аналогичной суммой экспопснт с такими же показателями степени (рис. 3, кривая 4):
ЯшЛ'Л/) = 9.|0-ве 11 20 + 2.5-106 См. (2)
На основании равенства показателей степени при экспонентах в уравнениях (1) и (2) сделан вывод о едином механизме активной проводимости конденсатора в постоянном и переменном электрическом поле.
Таким образом, проведенный анализ показал, что проводимость слоя магнито-диэлектрического коллоида, которая обусловливает активную проводимость конденсатора, изменяется вследствие влияния процессов самоорганизации. Па основании нелинейной зависимости проводимости слоя м а гн итоди эл е ктр и чсс кого коллоида при наличии структурных образований в электрическом поле сделан вывод о том, что исследуемый коллоид представляет собой нелинейную среду.
В ходе дальнейших экспериментальных исследований изучались процессы формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлсктрического коллоида различной толщины (с! =20+220 мкм), а также их влияние на характер зависимости резонансного тока контура под действием постоянного напряжения (рис.4). Установлено, что при изменении толщины слоя коллоида в диапазоне <1-20+40 мкм процессы формирования и трансформации структурных образований под действием постоянного электрического поля имеют общий характер, значительно отличающийся от характера процессов формирования структур в слое с!—220 мкм, рассмотренного выше при <.1=150 мкм. Выявлено, что в слое коллоида толщиной с!=20+40 мкм в диапазоне постоянных напряжений ип-6-Н0 В наблюдается формирование ячеистой структуры, которая, начиная с напряжения ии-10+12 В, становится неустойчивой. Развивающаяся неустойчивость приводит к возникновению движения агрегированных частиц в горизонтальной плоскости межэлектродпого пространства, скорость которого возрастает нри увеличении напряжения ип>12 В. Процессы формирования структурных образований в слое коллоида 20+40 мкм в начальном диапазоне напряжений, когда образуется ячеистая структура, а также наблюдается ее неустойчивость, имеют общий характер
л то
"И--"*
50 100 ""'"(50 ^.....200 и 2^0
Рис. 3 - Зависимости про иод мм ости конденсатора для тол шип 1.1 слоя м;инигодиэлсктрического коллоида с) = 150 мкм с <р = 2 % от постоянною напряжения: I - на постоянном токе, 2 И -аппроксимирующие кривые для 1 и 3 - на переменном токе (Г- 16 кГц)
Ь. л
г
2
.У"
с процессами, протекающими в слое коллоида 80+220 мкм. Однако при больших напряжениях в слое 20+40 мкм развивающаяся неустойчивость приводит к существенному перемещению агрегированных частиц в горизонтальной плоскости межэлектродиого пространства » отличие от слоя 80+220 мкм, где неустойчивость приводит к разрыву ячеек и формированию лабиринтных структурных образований, которые в горизонтальной плоскости перемешаются незначительно. Установлено,
что отличие процессов формирования структур в слое магнито* диэлектрического коллоида толщиной с1=20+40 мкм и (1=80+220 мкм приводит к различному характеру зависимости резонансного тока контура от постоянного напряжения. 'Гак выявлено, что при толщине слоя 20+40 мкм происходят наиболее существенные изменения резонансною тока под действием постоянного напряжения (рис.4, кривые 1-2). Причем для слоя 20+40 мкм характер зависимости резонансного тока, также как и процессы формирования структур под действием постоянного электрического поля, значительно отличаются ог таковых при толщине
is кг
ll-tir
¡>Л(Г
■1<Г
< *
i i i
î/ и
ff У lO4^
V
I ¡rj ,, n
о ..... «'о.............. ню ".............;>«» ' 15И
Рис. 4 - Зависимости резонансного тока контура от постоянного напряжения для ф 2 % при различной толщине слои магии годиэлсктри-чсского коллоида: 1 - d = 20 мкм, 2 - d = 40 мкм, 3 - d = 80 мкм, 4 - d = ПО мкм, 5 - d = 150 мкм, 6 - d = 220 мкм
слоя 80+220 мкм (рис.4, кривые 3-6).
Наблюдения в проходящем свете показали, что па процессы формирования структур в слое магни годиэлектрического коллоида, помимо величины постоянного напряжения, оказывает существенное влияние время его воздействия. Так, формирующиеся под действием постоянного электрического поля структурные образования с течением времени изменяются, причем выявлено, что характер изменения структур во времени различный для толщины слоя 20+40 мкм и 80+220 мкм. Установлено, что в слое коллоида толщиной 80+220 мкм формирующиеся иод действием постоянног о напряжения структурные образования с течением времени (0.1+30 минут) становятся более выраженными: в них повышается концентрация твердой фазы. При напряжениях Un>101Ï к тому же наблюдается их перемещение в горизонтальной плоскости. Однако следует отметить, что при этом форма и размеры структурных образований в значительной степени не изменяются. 11 слое
коллоида толщиной 20+40 мкм в отличие от 80+220 мкм, формирующиеся под действием постоянного напряжения структурные образования с течением времени в значительной степени изменяют свою форму и размеры. Так, в слое 20+25 мкм с течением времени при неизменном значении постоянного напряжения 11 + 12 В из ячеистой структуры формируются структурные,образования в виде вращающихся колец с внешним диаметром 150+400 мкм и капель диаметром менее 150 мкм (рис. 5). Характерное время формирования колец составляет -5 минут. Установлена последовательность их формирования. Первоначально в слое коллоида на фоне ячеистой .структуры, формирующейся под действием постоянного напряжения, образуются более концентрированные области в виде капель 50+100 мкм (рис.5 а), которые затем объединяются в цепочки (рис.5 б), а цепочки в свою очередь трансформируются в кольца (рис.5 в, г). Кольца вращаются с частотой ~1 об/мин, причем некоторые кольца вращаются по часовой стрелке, другие - против. Последующее увеличение постоянного напряжения приводит к разрушению колец и капель. При напряжении 24+25 В с течением времени происходит образование вихрей (рис.6 а). Установлена закономерность их развития. Сначала образуются разнонаправленные упорядоченные потоки агрегированных частиц в горизонтальной плоскости межэлектродного пространства, затем потоки сталкиваются в одной области, в которой движение приобретает вращательный характер. В этой же области образуется центр вихря, который медленно перемещается в горизонтальной плоскости межэлектродпого пространства. На протяжении времени существования вихря (~30 секунд) из его центра распространяется раскручивающаяся спиральная волна с периодом —0.3 секунды, направление которой противоположно направлению закручивания потоков агрегированных частиц. Через -10 секунд с момента возникновения вихря из его центра начинает распространяться раскручивающаяся спиральная волна с тем же периодом, но с большей амплитудой и скоростью. Время распространения данной волны составляет ~2 секунд. После излучения волны вихрь теряет устойчивость и разрушается (рис. 6 б).
Обнаружено, что процессы формирования структур с течением времени сопровождаются изменением постоянного тока, протекающего через слой магнитодиэлектри чес кого коллоида (рис. 7). Причем при неизменном напряжении в диапазоне 6+10 В с течением времени наблюдается уменьшение величины постоянного тока (рис.7 кривая 1), это происходит вследствие формирования устойчивого приэлектродного слоя [3]. При напряжениях Un > 10 В с течением времени наблюдается увеличение постоянного тока при неизменном напряжении (рис.7 кривые 2-4), что, очевидно, происходит вследствие развивающейся неустойчивости приэлектродного слоя.
Рис. 5 — Процесс образования вращающихся колен в слое мапшто-люлсюрнческого коллоида толщиной д = 20 - 2$ мкм при постоянном напряженны ип=Н-12В:а-1 мни, б ~ 2 мин, а - 3 мни, г — 5 мин
Рис. 6 — Вихрь в слое мапштодюлектрического коллоида толщиной <1 — 20 - 25 мш при постоянном напряжении иц = 24-25 II: а, б —образование, разрушение вихря, сооткегетненпо
В четвертой главе представлено теоретическое описание формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодюлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля. Для объяснения формирования динамических структур в слое коллоида использовалась теория, описывающая коллективное поведение проводящих частиц в слабопроводящей
жидкости под действием постоянного
1,А
8 10
7.3 10 5 «Г5
4.5 10 3 10^
2.5 10 1.5 1о"
1 10
/
3
—
ш
-
0 5 10 15 20 25 30 Рис. 7 - Ампер-временная характеристика для конденсатора с ф = 2 % и толщиной слоя ма гннтод нэле ктр ич ее кого коллоида Л — 80 мкм при выдержке от постоянно 1X5 напряжения: 1 - ип=Ю В, 2 - ип=18 В, 3 - ип - 28 В, 4 - ип = 50 В
электрического поля, ранее развитая в работах [4, 5]. При этом было принято, что электрическая проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида обеспечивается примесными ионами, находящимися в дисперсионной среде. Формирование динамических структур в слое " коллоида происходит вследствие взаимодействия между частицами твердой фазы и электроконвективными потоками в жидкости. Причем это происходит при е>Соу где со — концентрация ионов, характеризующая проводимость
дисперсионной среды, при которой возникают течения, способные собирать частицы магнетита в динамические образования. Плотность частиц и усредненная по вертикальной координате скорость движения дисперсионной среды представлены периодической функцией пространства и времени, которая в одномерном
случае горизонтальной координаты имеет вид: рр,У~ехр[п + ¡кх).
Для слоя мапгитодиэлектри чес кого коллоида в пределах слабых электрических нолей и случая высокой концентрации ионов е»Со в одномерном случае периодического возмущения ~схр1гг + ¡кх] из уравнения Навье-Стокса и закона сохранения получено:
XV = -(ук1 + д)У - £(1 - ехр[-к(Е)*г-* V,4])/?,
где первое уравнение системы (3) описывает движение дисперсионной среды с учетом того, что давление является функцией электростатической силы, и вертикальная компонента электрического поля Ех зависит от величины Е и локальной плотности часгиц рр. В этом уравнении V - вязкость, с}а - характерная длина порядка межэлсктродпого расстояния. Коэффициент *(£), зависящий от напряженности поля, описывает экспериментально наблюдаемую трансформацию ячеек (*<0) при малых полях, а при больших полях («>0) соответствует соединению образований и формированию «крупных» динамических структур. Второе уравнение системы (3) описывает изменение плотности частиц в пространстве с течением времени, вызванное диффузией О, и движением дисперсионной среды под действием постоянного электрического ноля. П этом уравнении а - коэффициент переноса частиц, \/р - величина, ограничивающая плотность образований, р - усредненная но вертикальной координате плоти оси, частиц при однородном слое коллоида.
Совместное решение системы (3) показало, что величина напряженности поля Е определяет характер зависимости г(А), которая указывает на различные режимы
формирования с течением времени в пространстве областей с повышенной концентрацией частиц магнетита под действием постоянного электрического поля. Так, при малой напряженности поля Ей к<0 наблюдается однородное стабильное состояние рр = р (пунктирная линия на рис. 8), в этой связи области с повышенной концентрацией частиц магнетита в пространстве с течением времени не формируются, так как г< 0 при любом к. Этот результат совпадает с экспериментом: при малых полях (£<40 кВ/м) наблюдается однородный слой. При тех же параметрах, по при больших значениях Е в определенном диапазоне А (А=0.55...0,95), г-положительпая величина (сплошная линия па рис. 8). Это указывает на образование стабильной ячеистой решетки размером, определяемым А0. При дальнейшем увеличении Е и к > 0 левый край зависимости г(А) пересекает ноль, что указывает па
режимов: однородный осадок (нункшрпая линия Е - 25, Р - 2, *= - 0.1), ячейки (сплошная линия Е =45, р = 2. jc--0J), динамические струкзурные образования (штрнхнуактирная линия Е — 70, р = 0.5, к~ 0.1). Другие параметры: ç =0.02, р —0.3,
увеличение размера формирующихся структурных образований (штрихпуиктирная линия на рис. 8). Этот режим соответствует формированию динамических структурных образований, 1: '' ■
Таким образом, полученные результаты позволили установить' основные закономерности формирования структурных образований1' в слое магнитолизлектрического коллоида при увеличении постоянного электрического поля: вначале наблюдается однородный слой, затем формируются структурные образования в виде ячеек и далее образуются динамические структуры.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Обнаружены эффекты формирования и трансформации динамических структурных „образований размером несколько миллиметров (~3 мм) в слое , магнитодиэлсктрического коллоида при воздействии постоянного электрического
поля напряженностью до.Еп = 2000 кВ/м. Установлено, что динамика структурных превращений дисперсной фазы в слое магнитолиэлекрического коллоида под действием постоянного электрического поля обуславливает характер автоволновых процессов па поверхности слоя коллоида.
2. Установлено влияние , визуально зарегистрированных процессов самоорганизации на проводимость слоя маги итодиэлектри чес кого коллоида. Показано, что . магнитодиэлектрический коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.
3. Проведены исследования особенностей процессов формирования и трансформации динамических структурных образований в слое магнитодиэлектричсского коллоида различной толщины d = 20+220 мкм в
S •.» i ' ' *
зависимости от величины (0+300 В) и времени (0.1+30 минут) воздействия постоянного напряжения. Определены диапазоны постоянных напряжений, при которых формируются струкгурные образования различной формы и размеров. Выявлено, что время воздействия постоянного напряжения оказывает существенное влияние на формирование структурных образований. Представлена динамика изменения структур с течением времени.
4. Установлено, что в тонких слоях магнитодиэлектричсского коллоида (d = 20+25 мкм) при неизменном значении постоянного напряжения (Un) с течением времени1 формируются структурные образования в виде вращающихся колец (Un = H+Í2 В) и вихрей (Un = 24+25 В). Показано, что возникновение вихрей сопровождается образованием «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в цетре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волн.
5. При использовании известных теоретических разработок представлено обоснопапие формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля, позволившее установить основные закономерности формирования структур, результаты которого качественно совладают с экспериментом.
Список цитированной литературы
1. Kozhevnikov V.M., Morozova T.F. Inductivity of a stratum magnetic fluid in electrical and magnetic fields // Magnetohydrodynamics. - 2001. - Vol.37, N. 4. - P. 383-388.
2. Дикапский Ю.И., Нечаева O.A. Структурные превращения в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях // Коллоидный журнал. - 2003. - Т 65, № 3. -С. 338-342.
3. Чеканов В.В., Каидаурова П.В., Бондаренко П.Л. Синхронизация автовшшовых процессов в магнитной жидкости И Сборник научных трудов 10-ой Юбилейной международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. - Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2002. - С. 103-107.
4. Aranson I.S., Sapozhnikov M.V. Theory of pattern-formation of metallic microparticles in poorly conducting liquid // Phys. Rev. Lett. - 2003. - Vol. 90. - P. 306657.
5. Aranson I.S., Meerson В., Sasorov P.V., Vinokur V.M. Phase separation and coarsening in electrostatically driven granular media // Phys. Rev. Lett. - 2002. -Vol. 88.-P. 204301.
Список основных работ но теме диссертации:
1. Кожевников В.М., Чуснкова И.¡О., Данилов М.П., Ястребов С..С. Самоорганизация слоя магнитной жидкости в сильных электрических нолях // Письма в Журнал Технической Физики. - 2005.-Т. 31, вып. 21. - С. 64-67.
2. Kozhevnikov V.M., Chuenkova l.Yit., Danilov M.I., Yastrebov S.S. Self-organizing process in the magnetic fluid layer // Magnetohydrodynamics.
- 2005. - Vol. 41, N. 1. - P. 53-62.
3. Kozhevnikov V.M., Chuenkova I.Yu., Danilov M.I., Yastrebov S.S. Features of self-organization in magnetic fluid layers under a strong electric field H Magnetohydrodynamics. - 2005. - Vol. 41, N. 3. - P. 231-238.
4. Кожевников B.M., Чуепкова НЛО., Данилов МП., Ястребов С.С. Динамика развития процессов самоорганизации в тонком слое магнитной жидкости при воздействии постоянного электрического поля // Журнал Технической Физики.
- -2006.-Т.79, Вып.7.-С, 129-131.
5. Kozhevnikov V.M., Chuenkova I.Yu., Danilov M.l„ Yastrebov S.S. Electric properties of the magnetic fluid layer in strong electric fields // Magnetohydrodynamics.
- 2006. - Vol. 42, N. 1. - P. 31-37.
6. Kozhevnikov V.M., Lar'tonov Yu.A„ Chuenkova I.Yu., Danilov M.I. Obtaining the structured magnetic fluids in an ctectric field and their technical applications It Magnetohydrodynamics. - 2004. - Vol. 40, N. 3. - P.269-280.
7. Кожевников H.M., 11уеикова II.Ю.. Данилов МЛ!.. Ястребов С.С. Электрические свойства слоя магнитной жидкости под действием сильных электрических полей // Вестник Сев-КавГТУ. - 2005. - №3. - С. 54-58.
8. Kozhevmkov V.M., Chuenkpva l.Yu., Danilov M.I,, Yastrebov S.S. Features of self-organizational processes in cell with magnetic fluid // Abstracts Ш International conference «Fundamental Problems of Physics» (13 - J 8 June 2005, Kazan).
- Kazan, 2005. - P.53. " , ; ;
9. Кожевников B.M., Чуенкова И.Ю., Данилов M.H., Ястребов С.С.'Частотные характеристики управляемого колебательного RLC контура // Сб. науЧ. Тр.11-й Междунар. Плесской коиф. по магнитным жидкостям (S-11 сентября 2004).
- Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2004. - С 136—140
№. Данилов МП., Чуенкова Н.Ю., Кожевников В.М. Резонансные явления в колебательном контуре - с ячейкой, заполненной магнитной жидкостью 7/ Сб. науч. тр. 10-й10билейной междунар. Плесской копф. но магнитным жидкостям.
- Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2002. - С.202-206.
! 1 .Kozhevnikov V.M., Larionov Yu.A., Chuenkova l.Yu., Danilov M.I. Reception of the structured magnetic fluids and their technical applications // Abstracts «International workshop on recent advances in nanotechnology of magnetic fluids» (January 22-24, 2003).-RANMF, 2003.-P.201-203. 12.Кожевников В.М,, Чуенкова И. 10., Данилов МИ., Ястребов С.С. Структурная самоорганизация'слоя магнитной жидкости в сильном электрическом ноле// Сб. науч. тр. И-й междунар.' паучно-нракт. копфер. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (07-09 февраля, 2006).
- Санкт-Петербург: Изд-во СПбГТУ, 2006.-С. 108-109.
1Кожевников В.XI.. Ларионов Ю.А., Чуенкова И.Ю., Данилов МЛ. Перенос заряда в магнитодиэлектрическом коллоиде под действием электромагнитных полей // Сборник докладов VII междунар. конфер. «Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей» (25-29 июня, 2003). — Санкт-Петербург, 2003.
- С. 136-140. ■
14.Данилов M.U.; Ястребов С.С. Анизотропия свойств магнитодиэлектрического коллоида в управляемом колебательном RLC контуре // Матер. XLU междунар. студеич. копфер. «Студент и научно-технический прогресс». - Новосибирск: Изд-во НГУ, 2004. - С.96.
15.Кожевников В.М., ;Чуенкова Н.Ю., Данилов М.И., Ястребов С.С. Процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля // Матер. IV междунар. научно-практ. конфер. «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике». - Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ, 2005. - С.44-45.
16.Яст/?ебов С.С., Данилов М.И. Наблюдение структур и вихрей о слое магнитной жидкости// Сб.;тезисов 12-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (23-29 марта, 2006). — Новосибирск: Изд-во АСФ России, 2006. - С.359-360.
Подписано в печать 27.09.2006 г, Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,5 Уч.- изд. л. - I Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ 617 Тираж 100 экз. Г ОУ В ПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2
Издательство Северо-Кавказского госуда per венного технического
университета Отпечатано в типографии СевКав! ТУ
Введение.
Глава 1. Процессы самоорганизации. Образование структур в слое магнитно диэлектрического коллоида.
1.1 Процессы самоорганизации среды при внешних воздействиях.
1.2 Образование структур в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля.
1.3 Электрические свойства слоя магнитной жидкости при наличии структурных образований.
1.4 Обоснование направления исследования.
Глава 2. Объект и методика экспериментального исследования.
2.1 Объект исследования.
2.2 Экспериментальная установка.
2.3 Методика проведения экспериментов и анализ погрешностей.
Глава 3. Самоорганизация слоя магнито диэлектрического коллоида в постоянном электрическом поле.
3.1 Процессы самоорганизации слоя магнито диэлектрического коллоида при воздействии различной величины постоянного напряжения.
3.2 Влияние процессов самоорганизации на электрические свойства слоя магнито диэлектрического коллоида.
3.3 Электрические свойства слоя магнито диэлектрического коллоида различной толщины, обусловленные процессами самоорганизации.
3.4 Процессы самоорганизации слоя магнито диэлектрического коллоида при различном времени воздействия постоянного напряжения.
3.5 Электрические свойства слоя магнито диэлектрического коллоида при различном времени воздействия постоянного напряжения.
3.6 Динамика развития процессов самоорганизации в тонком слое магнито диэлектрического коллоида.
4 Теоретическое обоснование формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля.
4.1 Модель описания структурирования слоя магнитодиэлектрического коллоида в постоянном электрическом поле.
4.2 Расчет потенциала электростатического поля заряженного плоскопараллельного конденсатора с находящимися внутри заряженными осями.
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля. Самоорганизация вещества - это один из самых удивительных процессов, которые происходят в природе, так как сама жизнь есть процесс создания порядка из хаоса. Известно, что процессы самоорганизации обязательно связаны с коллективным поведением внутри системы, которая подвергается внешнему воздействию в виде притока вещества или энергии. Причем воздействие извне должно быть сильным, закритическим; при этом система переходит в особую нелинейную область, которую называют областью, удаленной от равновесия. Изучение этих процессов только начинается и оказывается, что они открывают новые пути осмысления процессов, происходящих в природе. Благодаря этому уделено большое внимание исследованию процессов самоорганизации в различных средах как со стороны отечественных, так и зарубежных ученых.
Актуальность изучения процессов самоорганизации именно в слое магнитодиэлектрического коллоида заключается в простоте и доступности экспериментальных исследований, результаты которых возможно использовать для понимания природы процессов, происходящих в других средах, в которых исследования затруднены. Процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида в настоящее время малоизучены. Однако уже полученные результаты позволяют заключить, что в такой среде при воздействии электрического поля возможно наблюдать и моделировать коллективные явления, характерные для химических реакторов, в которых могут протекать процессы с автокаталитическими стадиями, нервных волокон и других систем. Все это свидетельствует о том, что в настоящее время актуальными являются исследования коллективных явлений в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии на него электрического поля.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование особенностей процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
- создание экспериментальной установки для исследования процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии постоянного электрического поля (0-2000 кВ/м) и обусловленных ими особенностей электрических свойств слоя коллоида различной толщины (20-220 мкм);
- изучение динамики процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины в зависимости от величины (0-300 В) и времени (0.1-30 минут) воздействия постоянного напряжения;
- исследование особенностей электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловленных наличием в нем процессов самоорганизации при различной величине и времени воздействия постоянного напряжения; представление на основе результатов экспериментальных исследований теоретического обоснования формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
1. Визуально зарегистрированы процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида с объемной концентрацией твердой фазы Ф=2 %, выражающиеся в виде динамических структурных образований размером несколько миллиметров и раскручивающихся спиралей (спиральных волн) при воздействии постоянного электрического поля напряженностью до Еп=2000 кВ/м. Показано, что автоволновые процессы, наблюдаемые ранее на поверхности слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловлены динамикой структурных превращений (самоорганизацией) его дисперсной фазы при воздействии постоянного электрического поля.
2. Исследовано влияние визуально зарегистрированных процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, находящегося между электродами конденсатора, в котором эти процессы наблюдались. Показано, что магнитодиэлектрический коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.
3. Изучены особенности процессов формирования и трансформации динамических структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины d = 20-220 мкм в зависимости от величины (0н-300 В) и времени (0.1н-30 минут) воздействия постоянного напряжения. Определены диапазоны постоянных напряжений, при которых формируются структурные образования различной формы и размеров; представлена динамика изменения структур с течением времени.
4. Экспериментально обнаружено формирование в тонких слоях магнитодиэлектрического коллоида (d=20-^25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей. Установлено, что возникновение вихрей сопровождается образованием «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в центре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волны.
5. При использовании известных теоретических разработок для описания поведения проводящих частиц в слабопроводящей жидкости представлено обоснование формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.
Достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния, электрофизики, физики магнитных явлений; согласуются с известным опытом исследования процессов самоорганизации в других средах. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и других научных конференциях.
Практическая ценность результатов заключается в том, что полученные результаты исследования процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля внесли вклад в развитие физики коллоидных систем и фундаментальных проблем синергетики.
Обнаруженные и исследованные процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля могут быть использованы для создания управляемого колебательного контура. Результаты могут быть полезны при создании материалов с новыми свойствами, а также моделировании аномальных атмосферных явлений, таких, как смерчи.
Автор защищает:
1. Экспериментально обнаруженные эффекты формирования и трансформации динамических структурных образований размером несколько миллиметров в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины (20-^220 мкм) в зависимости от величины (0-4-2000 кВ/м) и времени воздействия (0.1-К30 мин) постоянного электрического поля; явления возникновения в тонких слоях коллоида (<3=20-^25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей.
2. Вывод об обусловленности автоволновых процессов на поверхности слоя магнитодиэлектрического коллоида динамикой структурных превращений (самоорганизации) в объеме его дисперсной фазы при воздействии постоянного электрического поля.
3. Результаты экспериментального исследования влияния процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, показавшие, что коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.
4. Анализ обнаруженного формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля, основанный на известных модельных представлениях поведения проводящих частиц в слабопроводящей жидкости в электрическом поле.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на:
- Ill International Conference Fundamental Problems of Physics. Kazan, 13-18 June, 2005.;
- 10-й и 11-й Международных конференциях по магнитным жидкостям. Плес, (2002, 2004 гг.);
- VII Международной конференции "Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей". Россия, Санкт-Петербург, 2003.;
- International conference on Magnetic fluids. Delhi, 22 - 24 January, 2003.;
- II Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Россия Санкт-Петербург, 2006.;
- XII Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006г.);
- IV Международной научно-практической конференции "Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике". ЮРГТУ, Новочеркасск, 2005.;
- XLII Международной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", Новосибирск, 2004.;
- VI Региональной научно-практической студенческой конференции "научные открытия, меняющие мир". Кисловодск, 2004.;
- Ill, V Региональных научных конференциях «Студенческая наука -экономике России». Ставрополь, (2002, 2005 гг.);
- VIII, IX Региональных научно-технических конференциях "Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону". Ставрополь, (2004,2005 гг.);
- XXXIII, XXXIV, XXXV научно-технических конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003, 2004,2005 года. Ставрополь, (2004, 2005,2006 гг.);
По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, содержащего 88 наименований. Диссертация содержит 130 страниц, 45 рисунков и одну таблицу.
Основные результаты и выводы.
1. Визуально зарегистрированы процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида с объемной концентрацией твердой фазы Ф=2 %, выражающиеся в виде динамических структурных образований размером несколько миллиметров и раскручивающихся спиралей (спиральных волн) при воздействии постоянного электрического поля напряженностью до Еп=2000 кВ/м. Показано, что автоволновые процессы, наблюдаемые ранее на поверхности слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловлены динамикой структурных превращений (самоорганизацией) его дисперсной фазы при воздействии постоянного электрического поля.
2. Исследовано влияние визуально зарегистрированных процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, находящегося между электродами конденсатора, в котором эти процессы наблюдались. Показано, что магнитодиэлектрический коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.
3. Изучены особенности процессов формирования и трансформации динамических структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины d = 20-220 мкм в зависимости от величины (О-ьЗОО В) и времени (0.1-к30 минут) воздействия постоянного напряжения. Определены диапазоны постоянных напряжений, при которых формируются структурные образования различной формы и размеров; представлена динамика изменения структур с течением времени.
4. Экспериментально обнаружено формирование в тонких слоях магнитодиэлектрического коллоида (d=20^-25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей. Установлено, что возникновение вихрей сопровождается образованием «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в центре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волны.
5. При использовании известных теоретических разработок для описания поведения проводящих частиц в слабопроводящей жидкости представлено обоснование формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.
Заключение
1. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 512 с.
2. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1985. 412 с.
3. Пригожин И.,Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986. 431 с.
4. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. 327 с.
5. Бетчелор Жд. К. Введение в динамику жидкости. М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2004. 769 с.
6. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: Изд-во иностр. лит., 1947. 338 с.
7. Осипов А.И. Неравновесный газ. М.: Знание, 1984. 64 с.
8. Осипов А.И. Самоорганизация и хаос. М.: Знание, 1986. 64 с.
9. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М. Наука, 1997. 320 с.
10. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика — теория самоорганизации. Идеи, методы, перспективы. М.: Знание, сер. «Математика, кибернетика». 1983. № 2. 64 с.
11. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем, М.: Наука, 1994.
12. Димова С.Н. Численное исследование нестационарных тепловых структур // Дис. д-ра физ.-мат. наук. Дубна, 2005. - 211 с.
13. Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнитные жидкости. Рига: Зинатне, 1989.-386 с.
14. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. М.: Высшая школа, 1988. - 184 с.
15. Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. -М.: Химия, 1989.-239 с.
16. Розенцвейг Р.Е. Феррогидродинамика. М.: Мир, 1989. - 356 с.
17. Баштовой В.Г., Берковский Б.М., Вислович А.Н. Введение в термодинамику магнитных жидкостей. М.: ИВТАН, 1985. - 188 с.
18. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. М.: Мир, 1993. -272 с.
19. Чеканов В. В. Магнетизм малых частиц и их взаимодействие в коллоидных ферромагнетиках: Дис. д-ра физ.-мат. наук. Ставрополь, 1985.-362 с
20. Скибин Ю. Н. Молекулярно-кинетический механизм электро- и магнитнооптических явлений в магнитных жидкостях: Дис. д-ра физ.-мат. наук. Ставрополь, 1996. - 322 с.
21. Дроздова В.И. Концентрационные структуры и межфазные явления в магнитных коллоидах: Дис. д-ра физ.-мат. наук. Ставрополь, 1998. -341 с.
22. Диканский Ю. И. Эффекты взаимодействия частиц и структурно-динамические процессы в магнитных коллоидах: Дис. д-ра физ.-мат. наук. Ставрополь, 1999. - 310 с.
23. Ларионов Ю.А. Кинетика структурирования магнитного коллоида в приэлектродном слое: Дис. канд. тех. наук. Ставрополь, 2002. - 179 с.
24. Морозова Т.Ф. Формирование структуры в магнитной жидкости при воздействии поляризующего напряжения: Дис. физ.-мат. наук. -Ставрополь, 2002. 150 с.
25. Нечаева О.А. Структурная организация магнитных коллоидов в электрическом и магнитном полях: Дис. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2003.-140 с.
26. Вегера Ж.Г. Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при ее взаимодействии с электрическим и магнитным полями: Дис. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2004. - 165 с.
27. Dikansky Yu.I., Veguera J.G., Suzdalev V.N., Smerek Yu. L. Magnetic fluids with nonmagnetic inclusions of various shapes // Magnetohydrodynamics. -2002. Vol. 38. - № 3. - P. 281-285.
28. Ialam M.F., Lin K.H., Lacoste D., Lubensky T.C., Yodh A.G. Field-induced structures in miscible ferrofluid suspensions with and without latex spheres // Physical review E. 2003. - Vol. 90. - P. 021402.
29. Dikansky Yu.I., Nechaeva O.A. On the origin of structural grating in a magnetic fluid thin film under electric and magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2002. - Vol. 38. - № 3. - P. 287-297.
30. Диканский Ю.И., Нечаева O.A. Структурные превращения в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях // Коллоидный журнал. -2003. Т 65. - № 3. - 338-342.
31. Ларионов Ю.А. Динамика структурных превращений в тонком слое магнитной жидкости // VI Всесоюзная конференция по магнитным жидкостям. Тезисы докладов. Плес, 1991. - С. 15-16.
32. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Чеканов В.В. Электропроводность и структурные образования в магнитных коллоидах // Всесоюзная конференция по электронной обработке материалов. Тезисы докладов. -Кишинев, 1990.-С. 170-172.
33. Ivanov А.О. Phase separation in bidisperse ferrocolloids // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. - T.154. - P. 66-70.
34. Аверьянов П.В., Кожевников B.M., Морозова Т.Ф. Структурообразование в слое магнитной жидкости под воздействием постоянного электрического поля // Сборник научных трудов. Серия «Естественнонаучная». Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ. - 2002. - С. 130-137.
35. Аверьянов П.В., Кожевников В.М., Морозова Т.Ф. Структурирование слоя магнитной жидкости в приповерхностных областях // Материалы научно-практической конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». Кисловодск, 2001. -С. 73-74.
36. Kozhevnikov V.M., Morozova T.F. Inductivity of a stratum magnetic fluid in electrical and magnetic fields // Magneto hydrodynamics. 2001. - Vol.37. -№4.-P. 383-388.
37. Нечаева О.А. Формирование лабиринтной структуры в тонких пленках магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях // Вестник СГУ. Вып. 28. 2001. Ставрополь, С. 180-183.
38. Диканский Ю.И., Нечаева О.А. О фазовом переходе в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях // Вестник СГУ. -Ставрополь, 2001. Вып. 28. - С. 17-20.
39. Чеканов В.В. Интерференция света в тонкой плёнке на границе с магнитной жидкостью // Всесоюзная конференция по магнитным жидкостям: Тез. докл. 17-20 мая 1988 г. г. Плёс. - С. 128-129.
40. Кандаурова Н.В. Автоволны в магнитной жидкости // Известия ВУЗов -Северо-Кавказский регион, №2. 1999 - С. 28-31.
41. Чеканов В.В., Бондаренко Е.А. Автоволны в приэлектродной области с магнитной жидкостью в магнитном поле // Вестник СГУ. Вып. 28. 2001. Ставрополь, С. 31-34.
42. Чеканов В.В., Кандаурова Н.В., Бондаренко Е.А. Синхронизация автоволновых процессов в магнитной жидкости // Сборник научных трудов 10-ой Международной конференции по магнитным жидкостям. -Иваново.: Изд-во ИГЭУ, 2002. С. 103-107.
43. Бондаренко Е.А Механизм формирования многослойной структуры в магнитной жидкости в приэлектродной области: Дис. .канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2001. - 130 с.
44. Чеканов В.В., Кандаурова Н.В., Бондаренко Е.А. Уравнение автоволнового процесса в приповерхностном слое магнитной жидкости на границе с электродом // Вестник СГУ. Вып. 34. 2003. Ставрополь, С. 37-40.
45. Кандаурова Н.В. Приповерхностные и межфазные явления в магнитной жидкости в электрических и магнитных полях и их техническое применение: Дис. д-ра техн. наук. Ставрополь, 2000. - 307 с.
46. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Морозова Т.Ф. Электрокинетические свойства тонкого слоя магнитной жидкости // 8-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. Плес, Россия, 1998. - С. 40-42.
47. Kozhevnikov V.M., Larionov Yu.A. Electrorheological of magnetic fluid // 9th International Conference in Magnetic Fluids. Book of Abstracts. -Bremen, 2001.
48. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Морозова Т.Ф. Перенос и накопление заряда в магнитной жидкости // Материалы XXVIII научно-технической конференции СтГТУ, Т. II. г. Ставрополь, 1998. - С. 41-42.
49. Касандрова О.А., Лебедев В.В. Обработка результатов измерений. М.: Наука. 1970. 104 с.
50. Тойнберг П. Оценка точности результатов измерений: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 88 с.
51. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугорев; Под. общ. ред. Н.Н. Евтихиева. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
52. Э.Г. Атаманян, Ю,В. Портной, Ю.Д. Чепурнова Методы и средства измерения электрических величин. М.: Высшая школа, 1974,232 с.
53. Kozhevnikov V.M., Chuenkova I.Yu., Danilov M.I., Yastrebov S.S. Self-organizing process in the magnetic fluid layer // Magnetohydrodynamics, Vol. 41, N. 1,2005, P.53-62.
54. Kozhevnikov V.M., Chuenkova I.Yu., Danilov M.I., Yastrebov S.S. Features of self-organization in magnetic fluid layers under a strong electric field // Magnetohydrodynamics, Vol. 41, N. 3, 2005, P.231-238.
55. Кожевников B.M., Чуенкова И.Ю., Данилов М.И., Ястребов С.С. Самоорганизация слоя магнитной жидкости в сильных электрических полях // Письма в Журнал Технической Физики, Т.31, Вып.21, 2005, С.64-67.
56. Kozhevnikov V.M., Larionov Yu.A., Chuenkova I.Yu., Danilov M.I. Obtaining the structured magnetic fluids in an electric field and their technical applications // Magnetohydrodynamics, Vol. 40, N. 3, 2004, P.269-280.
57. Кожевников B.M., Чуенкова И.Ю., Данилов М.И., Ястребов С.С. Электрические свойства слоя магнитной жидкости под действием сильных электрических полей // Вестник Сев-КавГТУ, №3, 2005, С.54-58
58. Кожевников В.М., Чуенкова И.Ю., Данилов М.И., Ястребов С.С. Особенности самоорганизационных процессов в ячейке заполненной магнитной жидкостью // III International conference "Fundamental Problems of Physics" 13-18 June 2005. Kazan. Abstracts, P.53.
59. Кожевников B.M., Чуенкова И.Ю., Данилов М.И., Ястребов С.С. Частотные характеристики управляемого колебательного RLC контура // Сб. науч. тр. 11-й Междунар. Плесской конф. по магнитным жидкостям. Россия, Плесс, 2004 года, С.136-140.
60. Kozhevnikov V.M., Larionov Yu.A., Chuenkova I.Yu., Danilov M.I. Reception of the structured magnetic fluids and their technical applications // Materials of International conference on Magnetic fluids. India, 2003, P.201-203.
61. Данилов М.И., Чуенкова И.Ю., Кожевников В.М. Резонансные явления в колебательном контуре с ячейкой, заполненной магнитной жидкостью // Сб. науч. тр. 10-й Юбилейной междунар. Плесской конф. по магнитным жидкостям. Россия, Плесс, 2002 года, С.202-206.
62. Кожевников В.М., Чуенкова И.Ю., Данилов М.И., Ястребов С.С. Динамика развития процессов самоорганизации в тонком слое магнитной жидкости при воздействии постоянного электрического поля // Журнал Технической Физики, Т.79, Вып.7,2006, С.129-131.
63. Kozhevnikov V.M., Chuenkova I.Yu., Danilov M.I., Yastrebov S.S. Electric properties of the magnetic fluid layer in strong electric fields // Magnetohydrodynamics, Vol. 42, N. 1, 2006, P.67-73.
64. Ястребов С.С., Данилов М.И. Наблюдение структур и вихрей в слое магнитной жидкости // XII Всеросийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых. Новосибирск, 2006, С.359-360.
65. Зубко Д.В., Лесникович А.И., Воробьева С.А., Зубко В.И.,. Сицко Г.Н. Диэлектрические свойства магнитных жидкостей // Сборник научных трудов 10-ой Международной конференции по магнитным жидкостям. -Иваново.: Изд-во ИГЭУ, 2002. С. 135-141.
66. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1973. 328 с.
67. Электроповерхностные явления и электрофильтрование / Духин С.С., Эстрела-Льопис В.Р., Жолковский Э.К. Киев: Наук.думка, 1985. -288 с.
68. Aranson I.S., Sapozhnikov M.V. Theory of pattern-formation of metallic microparticles in poorly conducting liquid // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 90. -P.306657.
69. Aranson I.S., Meerson В., Sasorov P.V., Vinokur V.M. Phase separation and coarsening in electrostatically driven granular media. Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88.-P. 204301.
70. Richardson J.F., Zaki W.N., Trans. Inst. Chem. Eng. 32, 35 (1954); Wen C.Y., Yu Y.H., Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 62, 100 (1966).- 130 Приложение
