Структурно-динамические процессы в системе микрокапель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях

Ткачева, Елена Сергеевна

Структурно-динамические процессы в системе микрокапель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Ткачева, Елена Сергеевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ставрополь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Структурно-динамические процессы в системе микрокапель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях»

Автореферат диссертации на тему "Структурно-динамические процессы в системе микрокапель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях"

На правах рукописи 005061702

Ткачева Елена Сергеевна

СТРУКТУРНО - ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ МИКРОКАПЕЛЬ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

01.04.07 — Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

13 ИЮН 2013

005061702

На правах рукописи

Ткачева Елена Сергеевна

СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ МИКРОКАПЕЛЬ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена на кафедре общей физики ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

заведующий кафедрой общей физики ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» Диканскнй Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

кафедры общей и прикладной физики Юго-Западного государственного университета Жакин Анатолий Иванович доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой математической физики Института математики и компьютерных наук Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина Иванов Алексей Олегович

Ведущая организация: Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «¿Н щаихЯ 2013 г. в 14.РОчасов на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета. Автореферат разослан «¿1» мЩ 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.1О5.0У

кандидат физико-математических наук ОуЗйл —— Л.И. Рослякова

Актуальность исследования. К настоящему времени имеется достаточно большое число экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению магниточувствительных эмульсий, синтезированных на основе магнитных жидкостей, однако, многие проблемы остаются открытыми. Важным аспектом исследований являются процессы структурообразования, происходящие в таких средах, и динамика частиц их дисперсной фазы при воздействии внешних полей, чему уделено недостаточно внимания в существующих в настоящее время работах. Вместе с тем, изменение структуры эмульсий, процессы деформации составляющих их микрокапель могут оказывать существенное влияние на магнитные и электрические свойства таких дисперсных систем и, как следствие, на успешность их применения на практике. Поэтому изучение особенностей деформации микрокапель магниточувствительных эмульсий при воздействии на них электрических, и магнитных полей и связанного с ними изменения макроскопических свойств таких систем является актуальным и, безусловно, представляет общенаучный интерес. Результаты исследования в этой области могут также представлять интерес при разработке сред, магнитными и электрическими свойствами которых можно эффективно управлять путем воздействия внешними полями.

Целыо диссертационной работы является исследование особенностей деформации капель дисперсной фазы магниточувствительных эмульсий в мапштном и электрическом полях, а также ее влияние на макроскопические электрические свойства таких систем.

Задач» исследования:

— синтезировать устойчивые магниточувствительные эмульсии с малым межфазным натяжением на границе микрокапля-среда;

— исследовать особенности деформации микрокапель, магниточувствительных эмульсий в электрическом и магнитном полях, а также при их одновременном действии;

— установить особенности макроскопических электрических свойств магниточувствительных эмульсий, обусловленные деформационными эффектами при воздействии внешних полей.

Объектом исследования являются микрокапли магаиточувствительной эмульсии. Предмет исследования - деформационные эффекты микрокапель маг-ниточувствительных эмульсий при воздействии на них электрических и магнитных полей и связанные с ними изменения макроскопических свойств среды. Научные результаты, выносимые на защиту:

- установленные особенности процессов деформации микрокапель магни-точувствительных эмульсий, при воздействии переменного электрического поля - изменение формы магнитных микрокапель, взвешенных в немагнитной жидкой среде при увеличении частоты от сплюснутого до вытянутого эллипсоидов вращения;

- установленные особенности деформации микрокапель при одновременном действии вращающегося магнитного и электрического полей — трансформация формы микрокапель в трехосный эллипсоид, возникновение при некотором значении напряженности и частоты электрического поля колебаний концов немагнитных микрокапель и их анализ;

- результаты исследования процесса трансформации формы немагнитных микрокапель повышенной вязкости (жидкого каучука), взвешенных в магнитной жидкости, при последовательном увеличении амплитуды низкочастотного переменного электрического поля, приводящей в конечном итоге к структурной организации образовавшихся более мелких вращающихся микрокапель в структурную гексагональную решетку;

- теоретическое обоснование предложенного механизма обнаруженного вращения немагнитных микрокапель, взвешенных в магнитной жидкости при воздействии низкочастотного электрического поля, а также влияния на его частоту дополнительного воздействия магнитного поля;

- обнаруженный эффект изгибной неустойчивости полосы вязкого жидкого диэлектрика, взвешенной в тонком слое магнитной жидкости при действии электрического поля и возможность ее компенсации с помощью дополнительного действия магнитного поля;

Научная новизна результатов исследования:

Обнаружено, что микрокапля магнитной жидкости, взвешенная в немагнитной среде принимает форму сплюснутого вдоль направления поля эллипсоида вращения, а немагнитная капля, взвешенная в магнитной жидкости — вытянутого, тогда как при высоких частотах электрического поля и магнитные и немагнитные капли принимают форму вытянутого эллипсоида вращения.

Выявлено, что дополнительное воздействие электрического поля на немагнитную каплю в магнитной жидкости, находящуюся под действием вращающегося магнитного поля приводит к возникновению колебаний формы капли относительно направления электрического поля.

Установлена последовательность обнаруженной трансформации формы не-магшгпюй капли, взвешенной в магнитной жидкости в результате действия низкочастотного электрического поля при последовательном увеличении его амплитуды

- деформация в сплюснутый эллипсоид вращения, трансформация в тороид, развитие изгибной неустойчивости и ее последующее разрушение на более мелкие вращающиеся капли, образующие гексагональную решетку. Предложен и обоснован новый механизм вращения капель.

Обнаружена и исследована изгибная неустойчивость полосы вязкого жидкого диэлектрика, взвешенной в тонком слое магнитной жидкости при действии перпендикулярных электрического и магнитного полей. Показана возможность компенсации изгибной неустойчивости, возникшей в электрическом поле с помощью дополни тельного воздействия магнитным полем.

Установлено возникновение анизотропии электрических свойств синтезированной магниточувствительной эмульсии при воздействии на нее магнитного поля.

Практическая и теоретическая значимость работы. Полученные результаты исследования особенностей деформации и динамики микрокапель магнитных

эмульсий, их структурной организации при воздействии магнитных и электрических полей и обусловленных этими процессами особенностей электрических свойств таких сред внесли определенный вклад в развитие исследований фундаментальных проблем физики жидких намагничивающихся сред.

При выполнении диссертационной работы были синтезированы и исследованы новые жидкие композиционные магнитомягкие материалы, макроскопические электромагнитные свойства которых проявляют зависимость от воздействия внешних полей, что открывает возможности использования их на практике.

Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений.

Личный вклад автора. Автором лично проведены все экспериментальные исследования, обработка результатов измерений и представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравните полученных результатов экспериментальных данных с результатами выполненных автором теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя экспериментальное и теоретическое изучение природы жидких сред (магниточувствительных эмульсий) и изменение их физических свойств при воздействии внешних полей. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 5 и 6 паспорта специальности.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований были представлены и обсуждались на представительных научных форумах: 15, 18-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Кемерово, 2009); 15-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям (Плес, 2012); II, III Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наноси-стем» (Ставрополь 2009, 2011); Moscow international symposium on magnetism

(Moscow, 2011); X Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 20 работах, из них 3 — в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников; изложена на 143 страницах, содержит 46 рисунков и 112 наименований использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих экспериментальных и теоретических работ, посвященных физике магнитных жидкостей. Значительное внимание уделено поведешпо отдельных капель, как магнитной жидкости, так и немаг-шгпшх капель в мапштном и электрическом полях. Приведены общие сведения об электрических свойствах диэлектрических эмульсий, а также обзор имеющихся работ по проблеме эмульсий магнитных жидкостей. Глава завершается анализом проведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертационной работе.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований поведения микрокапель магнитной жидкости и немагнитной капли, взвешенной в магнитной жидкости, при воздействии электрического, постоянного и вращающегося магнитного полей, а так же при совместном их действии. Для анализа характера деформации микрокапель был введен безразмерный параметр деформации D = (a — b)/(a + b), где а и b — полуоси микрокапли, причем полуось а перпендикулярна направлению электрического поля, полуось b параллельна ему. В результате исследований процесса деформации микрокапель было выявлено, что в переменном электрическом поле, первоначально сферические микрокапли изменяют свою форму, причем характер деформации определяется величинами частоты и напряженности электрического поля. Так, микрокапли магнитной жидкости, взве-

0,4 %

V I. Гц

V " »»

« f

О 2

шенные в масле при низких частотах трансформируются в сплюснутый эллипсоид вращения, ось вращения которого параллельна электрическому нолю. Напротив, при достаточно высоких частотах такие микрокагши приобретают форму вытянутого вдоль силовых линий поля эллипсоида вращения. При этом, инверсия деформации

магнитных капель наступала при частоте

Рис. 1. Зависимость параметра деформации микрокапель от частоты переменного электрически- электрического ПОЛЯ Порядка 150 Гц. МиК-го поля, полученная при величине амплитуды

напряженности поля равной Е= 190 кВ/м. Пред- „окашш ШСЛа в МЭГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ При ставлены зависимости для микрокапли масла в г

вдоль направления поля эллипсоиду вращения. На рис. 1 приведены экспериментально полученные графики зависимостей параметра деформации микрокапель от частоты переменного электрического поля.

Было обнаружено что, в случае воздействия на магнитную каплю низкочастотного электрического поля, приводящего к деформации капли в сплюснутый эллипсоид, восстановления ее сферической формы можно достичь, приложив дополнительно постоянное магнитное поле, соноправленное с электрическим. Ранее теоретическое обоснование подобного эффекта для микрокапельных агрегатов магнитной жидкости на основе керосина проводилось в работе [1], где для условия компенсации получено выражение в виде Нг = КЕ1 (где К определяется соотношением диэлектрических проницаемостей, динамических вязкостей, удельных прово-димостей, магнитных проницаемостей для капли и окружающей ее среды, определение значений которых было затруднительным). При подстановке соответствующих параметров исследуемых микрокапель в приведенное выражение было получено значение тангенса угла наклона зависимости Н2(Е2) равное ~6 А7В2', находящееся в удовлетворительном согласии со значением тангенса наклона этой зависимости, полученной экспериментально (~9 А2/В2). В этой же главе были проведены

магнитной жидкости (2) и микрокапли магнитной жидкости в масле (1), полученные для микрокапель одинакового размера диаметром 21 мкм

любых частотах электрического поля принимают форму, близкую к вытянутому

исследования особенностей динамики формы магнитных и немагнитных микрокапель при совместном действии вращающегося магнитного и переменного электрического полей.

Было обнаружено, что при одновременном воздействии низкочастотного (V = 0,9 об./с, Н=4 кА/м) вращающегося магнитного поля и переменного электрического (^=12 Гц)

* мкм

¿®>..... на немагнитную каплю (11=4 мкм), в зависимости от напряженности электрического поля наблюдается сначала вращение капли, затем, при напряженности 120 кВ/м, развиваются ко-

Рис. 2. Траектория движения конца яемаг- лебания конца капли вокруг оси вращения, нитной микрокапли во вращающемся магнитном поле при различной напряженности Для наглядности обнаруженного явления бы-

элекгрического поля

ла построена траектория движения конца капли во вращающемся магнитном поле при различной напряженности электрического ноля, которая представлена на рис. 2.

Для анализа обнаруженных колебаний конца немагнитной капли было предположено, что форма капли в каждый момент времени является равновесной и совпадающей с той, которую имела бы капля в случае, если бы магнитное поле не вращалось, а составляло бы некоторый постоянный угол с направлением электрического поля. Таким образом, процесс движения капли рассматривался как смена ряда равновесных состояний.

Для определения величины большой полуоси капли а было использовано выражение, полученное в [2]:

а\ -а2 _ [аЕ1 + /ЗН1 + 3В)а

9Л 16п +19/; еЛ -Ле 9е

где: а = —- —--^ т^-^ + —1

8я" 5(^+/7,) (2Л+Л) 8лг

12сг

' Л -Л 2Л +Л

(1)

"А,

8л \ + //

£> = л/0'хЕ2 ~ Рн2 У + 4аЛя ' й}

Угол между направлением большой оси капли и направлением электрическо-

го поля:

2В\Ё х н\Ё ■ Й

=--~Ёр£)- (2)

При использовании выражений (1) и (2) была построена зависимость координаты конца капли от угла между направлением электрического и магнитного полей. Аналогичная зависимость была построена и для случая отсутствия электрического поля в стационарном или медленно вращающемся магнитном поле. Результаты соответствующего расчета оказались в удовлетворительном согласии с экспериментальными результатами, представленными на рис. 2.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований деформации немагнитных диэлектрических микрокапель, представленных жидким каучуком, взвешенных в магнитной жидкости. Такие микрокапли обладают относительно большим временем релаксации формы, что накладывает отпечаток на их

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3. В правом нижнем углу представлена схема экспериментальной ячейки для наблюдения деформации капли вдоль направления электрического поля и для изучения ее поведения в ограниченном пространстве. В левом нижнем углу представлена схема экспериментальной ячейки для наблюдения за динамикой капли в случае, когда электрическое поле перпендикулярно направлению наблюдения и для изучения поведения свободно взвешенной капли. Обнаружено, что в диапазоне низких частот электрического поля капля принимала форму сплюснутого эллипсоида при сравнительно низком значении напряженности действующего поля (рис. 4Ь). С увеличением напряженности электрического шля в центре капли появлялось отверстие и она принимала тороидальную форму (рис. 4с). После дальнейшего повышения напря-

поведение во внешних полях.

Рис.3. Схема экспериментальной установки: 1 - предметный стол; 2 - катушки Гельмгольца. 3 — оптический микроскоп; 4 - видео камера; 5 — предметное стекло; 6 -металлические пластины; 7 - поверхностное стекло; В - прозрачное токопроводящее покрытие; 9 - фторопластовая пленка

женности электрического поля происходило искажение формы капли (рис. 4(1) и при продолжении увеличения поля она разрывалась на множество более мелких вращающихся капель (рис. 4е), образующих, при их достаточной концентрации, гексагональную структурную решетку. При этом частота вращения капель V оказалась зависимой от напряженности Е и частоты Г электрического поля.

ш®ш&шяшшшт шжяштг**™™™™*

Пи

шел

Рис. 4. Динамика диэлектрической микрокапли при увеличении напряженности электрического поля: а- Е =0 \Ь-Е = 150 кВ/м; с-Е = 200 кВ/м; d- Е = 315 кВ/м; е - Е =420 кВ/м(/"= 8 Гц). Электрическое поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка

Дополнительное действие постоянного магнитного поля, параллельного электрическому, изменяло характер развития формы капли — при достаточно высокой его напряженности тороидальной

Ш конфигурации капли не наблюдалось, и

| - "г фаза искажения формы капли наступала

ШШШ1шш!ШЯт

сразу после принятия каплей формы сплюснутого эллипсоида вращения.

Рис. 5. Динамика полосы каучука в магнитном поле: а) «синусоидальная» структура; 6) «синусоида» с отростками

140 120 100 80 60 40 20 О

A y.'J тш О HJMKM

'О/*».!

♦ ° О О А i

* А А ,

о О о

■ У О

* ♦ *»♦ ♦

//. кА/ч

15 20 25 30

Далее была исследована изгибная неустойчивость в электрическом и магнитном полях полосы жидкого диэлектрика, предварительно полученной путем продолжительного воздействия на каплю жидкого каучука, взвешенную в магнитной жидкости постоянным магнитным полем. При последующем воздействии на

Рис. 6. Зависимость длины волны полосы жидкого диэлектрика от напряженности магнитного Такую ПОЛОСу перпендикулярного МЭГНИТ-поля при различных толщинах полосы

ного поля происходило образование фигур напоминающих по форме, в зависимости от ее толщины и напряженности магнитного поля, как «синусоиды», так и «синусоиды с отростками» (рис. 5).

Установлены зависимости длины волны возмущения от напряженности магнитного поля и толщины полосы (рис. 6). Обнаружено, что характер деформации полосы в электрическом поле, такой же, как и в магнитном поле. Показано, что первоначально деформированная в «синусоиду» с помощью электрического поля диэлектрическая полоса при дополнительном воздействии магнитного поля, перпендикулярного электрическому и направленного вдоль полосы, восстанавливает первоначально невозмущенную форму.

При анализе полученных результатов учитывалась возможность трансформации формы капель в электрическом поле как за счет чисто поляризационных эффектов, так и вследствие воздействия электрогидродинамических течений, возникающих в каплях и вокруг них в низкочастотных электрических полях. Сделано предположение, что появление отверстия и тороидальной конфигурации капли (рис.4с) происходит вследствие развития течений внутри и снаружи капли. Давление потока максимально на полюсе капли, в то же время поверхностное давление там минимально, в результате отверстия появляются на полюсе капли под действием давления электрогидродинамического потока жидкости. Возможность вращения свободно взвешенных капель существенно изменяет картину потоков жидкости и тороидальная конфигурация капли не возникает.

При рассмотрении обнаруженного электровращения капли было предположено, что оно может происходить в случае, когда характерное время ориентации эллипсоидальной капли вдоль направления электрического шля меньше времени релаксации ее формы.

Для времени ориентации капли при использовании уравнения вращательного движения было получено выражение:

где ао - начальное значение угла а (а — угол между направлением электрического поля и главной (большой) полуосью эллипсоида).

В приближении малых деформаций зависимость параметра деформации капли от времени в процессе свободной релаксации формы D(t) может быть записано как в [2]:

V = Ц, exp(-s//r), (5) 40(i7,/i7.+l)

■А

\ \\

*ч * 'А

г (с)

(27?,+ 3X19/7,-М. +16)'

г=п Л! У

где Д, начальная деформация капли. На рис. 7 представлены зависимости а(/) и £>(/) вычисленные с помощью выражений (4) и (5) при трех различных значеших напряженно-

Рис. 7. Вычисленная зависимость а(1) (сгиюш-

ные линии) и Б(1) (пунктирные линии) при сти элеКТПИЧеСКОГО ПОЛЯ (Е0 = 170, 210 И 250

различных значениях напряженности электрического поля: 1 - Ео = 170 кВ/м, 2 - Ео = 210 кВ/м) Аншшз приведенных зависимостей кВ/м, 3 - Ео = 2з0 кВ/м (/= 20 Гц, Я = 25 мкм) ' г

позволяет заключить, что вращение капли может наблюдаться, когда напряженность электрического поля достигает некоторого критического значения, что действительно и наблюдается в эксперименте.

В четвертой главе исследованы электрические свойства мапшточувствительных эмульсий при взаимодействии с магнитным полем. В частности, изучена зависимость удельной диэлектрической проницаемости и проводимости эмульсии от объемной концентрации дисперсной фазы, величины и направления магнитного полей. В случаях, когда магнитное поле направлено параллельно измерительному электрическому полю, наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости и проводимости, в случае же взаимно перпендикулярной ориентации магнитного и электрического полей зависимость от поля крайне мала и наблюдается весьма незначи-

5 5 Г г/г. 10'

4,5 А. А *

■ а * Ш

i * ♦

1,5

У.5

-0,1 () А " о 4

S * О

-М Д

-2.S ♦ 10% •20"'» ».да;

> ♦10% «m

Рис. 8. Зависимость удельной диэлектрической проницаемости эмульсин магнитной жидкости в масле от напряженности внешнего магнитного поля. Н||Е (темные точки) и Н1Е (светлые точки) для трех различных объемных концентраций дисперсной фазы

тельное убывание величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости с увеличением магнитного поля (рис. 8).

Изменение проницаемости более выражено для эмульсии магнитной жидкости в масле, что возможно связано с большей степенью деформации капель магнитной жидкости по сравнению с немагнитными каплями, помещенными в магнитную жидкость, под действием одинакового магнитного поля.

Исследования зависимости ди-3 /1гА:, 10 .10% . 20% а зо% электрической проницаемости и про-

| « направлениями электрического и маг-

2.51 г х <>20% ¿30%

~ 1 водимости эмульсии от угла между

2 • в

. » Л

1,5 I

0,5 О

-0,5 -1

} *

нитного полей показали, что величины

* 5 - .

« а, град проницаемости и проводимости имеют

20 40 Й ¿0 а 80 . 100

■ | | А максимальные значения при сонаправ-

ленных электрическом и магнитным

Рис. 9. Зависимость удельной диэлектрической

проницаемости эмульсии магнитной жидкости в ПОЛЯХ. ЕСЛИ угОЛ Между направления-масле от утла а между напряженностями электрического и магшггного полей при различных ми полей оказывается раВПЫМ 45°, значениях концентрации дисперсной фазы, (тем-

кА/м)Т0ЧКИ 1М'92 КЛ'М' СЕеТЛЫе Т0ЧКИ 11=1,8 прошщаемость и проводимость эмульсии не отличаются от их значений в отсутствие магнитного поля (рис. 9).

Проведен анализ ряда обнаруженных особенностей электрических свойств магниточувствительной эмульсии в рамках приближения анизотропной эффективной среды с учетом возможности накопления свободного заряда на межфазной границе. Сделан вывод о возможности эффективного управления электрическими свойствами магниточувствительных эмульсий посредством воздействия внешних магнитных полей.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Синтезированы три вида магниточувствительных эмульсий с малым значением межфазного натяжения на границе капля-среда (микрокапли магнитной жид-

кости в минеральном масле, микрокапли минерального масла в магнитной жидкости и микрокапли жидкого каучука в магнитной жидкости).

2. Изучены особенности деформации микрокапель, магниточувствительных эмульсий в электрическом и магнитном полях, а также при их одновременном действии. Обнаружено, что при низких частотах воздействующего переменного электрического поля, микрокапли магнитной жидкости, взвешенные в немагнитной среде, принимают форму сплюснутых эллипсоидов вращения, тогда как немагнитные капли, взвешенные в магнитной жидкости - вытянутых. При высоких частотах электрического поля, как магнитные, так и немагнитные капли принимают форму вытянутых эллипсоидов вращения. Установлена возможность компенсации деформации магнитной капли, вызванной действием электрического поля дополнительным воздействием сонаправленного магнитного поля.

3. Установлено, что микрокапли магниточувствительных эмульсий при одновременном воздействии вращающегося магнитного и переменного электрического полей принимают устойчивую конфигурацию в виде трехосного эллипсоида, ориентация осей которого, зависит от частоты электрического поля. Обнаружено, возникновение в этих условиях при некотором значении напряженности и частоты электрического поля колебаний концов деформированной немагнитной микрокапли. Теоретическое обоснование возникающих колебаний проведено при рассмотрении процесса движения капли как последовательной смены ряда равновесных состояний.

4. Установлена последовательность обнаруженной трансформации формы немагнитной капли (жидкого каучука), взвешенной в магнитной жидкости в результате воздействия низкочастотного электрического поля при увеличении его амплитуды, приводящая в конечном итоге к структурной организации образовавшихся более мелких вращающихся микрокапель в структурную гексагональную решетку. Предложен и обоснован механизм вращения капель и влияния на его частоту дополнительного воздействия магнитного поля.

5. Обнаружено и изучено развитие изгибной неустойчивости полосы жидкого диэлектрика в тонком слое магнитной жидкости при действии перпендикулярных электрического и магнитного полей. Показана возможность компенсации изгибной деформации полосы жидкого диэлектрика, возникшей в электрическом поле при помощи дополнительного воздействия магнитным полем.

6. Выявлено, что магниточувствительная эмульсия при воздействии магнитного поля становится электрически анизотропной средой, ее электрические свойства зависят от взаимной ориентации магнитного и электрического полей. Проведен анализ обнаруженных особенностей электропроводности мангниточувствитель-ной эмульсии в рамках приближения анизотропной эффективной среды.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Dikansky, Y.I. Anisotropy of magnetic emulsions induced by magnetic and electric fields / Y.I. Dikansky, A.R. Zakinyan, A.N. Tyatyushkin // Phys. Rev. E. - 2011. -Vol. 84.031402.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Ткачева, Е.С. Динамика формы магнитных и немагнитных капель магаи-тодиэлектрических эмульсий в магнитном и электрическом полях [Текст] / Е.С. Ткачева, А.Р. Закинян // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. -№4(88). С. 76-82.

2. Dynamics of a dielectric droplet suspended in a magnetic fluid in electric and magnetic fields [Text] / A.R. Zakinyan, E.S. Tkacheva, Y.I. Dikansky // Journal of Electrostatics.-2012. -Vol. 70. P. 225-232.

3. Ткачева, Е.С. Деформация микрокапель магнитодиэлектрических эмульсий в переменном электрическом и вращающемся магнитном полях [Текст] / Е.С. Ткачева, А.Р. Закинян, Ю.И Диканский // Фундаментальные исследования. -2012.-№ 6. С. 685-688.

В других журналах и изданиях:

4. Tkacheva, E.S. Dynamics of a dielectric microdrop suspended in a magnetic fluid in electric and magnetic fields / E.S. Tkacheva, A.R. Zakinyan, Yu.I. Dikansky // Solid state phenomena-2012. - Vol. 190. P. 653-656.

5. Ткачева, E.C. Особенности деформации капель магнитных эмульсий в магнитном и электрическом полях [Текст] / Е.С. Ткачева // Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ—15). Тезисы докладов. - Кемерово-Томск, 2009. - С. 336.

6. Ткачева, Е.С. Поведение магнитных эмульсий в магнитном и электрическом полях / Е.С. Ткачева // Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». [Электронный ресурс] — М.: Издательский центр Факультета журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2009. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см.

7. Ткачева, Е.С. Деформационные эффекты капель магниточувствителыюй эмульсии в электрическом и магнитном нолях [Текст] / Е.С. Ткачева // Сборник трудов молодых ученых СГУ. - Ставрополь: изд-во СГУ, 2009. - С. 152 —154.

8. Ткачева, Е.С. Динамика формы магнитных и немапгатных капель магни-тодиэлектрических эмульсий в магнитном и электрическом полях / Е.С. Ткачева, А.Р. Закинян [Текст] // II Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы мапштных дисперсных наносистем». - Ставрополь, 2009. Сборник научных трудов. - С. 184 — 189.

9. Ткачева, Е.С. Деформация капли каучука в магнитной жидкости под действием электрического и магнитного полей [Текст] / Е.С. Ткачева, А.Р. Закинян // Образование, наука, инновации — вклад молодых исследователей: материалы VI(XXXVIII) Международной научно - практической конференции / Кемеровский госуниверситет: в 2-х т. - Кемерово: ООО «ИНТ», 2011. - Вып. 12. Т. 2. - С. 464-466.

10. Tkacheva, E.S. Dynamics of a polymer microdrop suspended in a magnetic fluid in electric and magnetic fields [Text] / E.S. Tkacheva, A.R. Zakinyan, Yu.I. Dikansky // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM). Book of Abstracts. -Moscow, 2011.-P. 244.

11. Ткачева, Е.С. Динамика капли жидкого каучука в магнитной жидкости под действием магнитного и электрического полей [Текст] / Е.С. Ткачева, А.Р. За-кинян, Ю.И. Диканский // Ш Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем». Сборник научных трудов. - Ставрополь, 2011. - С. 146 - 151.

12. Ткачева, Е.С. Изгибная неустойчивость полосы жидкого диэлектрика в феррожидкости под действием магнитного и электрического полей [Текст] / Е.С. Ткачева, Д.М. Никитина // Восемнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18). Тезисы докладов. - Красноярск, 2012.-С. 317-318.

13. Ткачева, Е.С. Неустойчивость полосы жидкого диэлектрика в магнитной жидкости под действием внешних полей / Е.С. Ткачева, Д.М. Никитина // Материалы докладов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». [Электронный ресурс] - М.: Издательский центр Факультета журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см.

14. Ткачева, Е.С. Неустойчивость жидкой диэлектрической полосы в магнитной жидкости под действием магнитного и электрического полей [Текст] / Е.С. Ткачева, А.Р. Закинян, Ю.И. Диканский // Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей. Сборник докладов X Международной научной конференции. - Санкт-Петербург, 2012. — С. 86 - 87.

15. Ткачева, Е.С. Изгибная неустойчивость диэлектрических микрокапель в магнитной жидкости под действием магнитного и электрического полей [Текст] / Е.С. Ткачева, А.Р. Закинян, Ю.И. Диканский //15 Международная Плесская конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. -Плес, 2012.-С. 141-145.

16. Диканский, Ю.И. Электрические свойства магнитодиэлектрических эмульсий в магнитном поле [Текст] / Ю.И. Диканский, А.Р. Закинян, Е.С. Ткачева// Современная наука и инновации. - 2013. - № 1. С. 30 - 36.

Подписано в печать lf.cS. 2013 г. Формат 60 х 84 1/16 Усл. п.л. 1,16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 147. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Издательско-информационный центр «Фабула» 355042, РФ, г. Ставрополь, проезд 1-й Параллельный, 8, оф. 303 тел. 8 (8652) 23-07-00, 8 (9624) 41-93-57 e-mail: fabula-st@mail.ru, www.fabula-st.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ткачева, Елена Сергеевна, Ставрополь

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201357996

на правах рукописи

А-

ТКАЧЕВА Елена Сергеевна

01.04.07- Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор Диканский Ю. И.

Ставрополь - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭМУЛЬСИЙ.....................................................11

1.1. Общие сведения о магнитных жидкостях.......................................................11

1.2. Поведение магнитных капель во внешних полях..........................................14

1.3 Поведение немагнитных капель во внешних полях.......................................21

1.4. Эмульсии и некоторые их свойства, создание и применение магнитных эмульсий.....................................................................................................................24

ГЛАВА 2 ДЕФОРМАЦИЯ КАПЕЛЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ И НЕМАГНИТНЫХ КАПЕЛЬ, ПОМЕЩЕННЫХ В МАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ, В МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЯХ........................39

2.1. Объект исследования и методика его получения...........................................39

2.2. Экспериментальные исследования и их результаты.....................................45

2.2.1. Особенности деформации микрокапель магниточувствителъной эмульсии при воздействии внешнего электрического поля.....................................................45

2.2.2. Деформация микрокапель магниточувствительных эмульсий в переменном электрическом и вращающемся магнитном полях.................................................54

2.3. Анализ полученных результатов......................................................................65

ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ КАПЕЛЬ КАУЧУКА, ВЗВЕШЕННЫХ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ...............................................................................................76

3.1. Экспериментальные исследования и их результаты.....................................77

3.1.1. Динамика диэлектрических микрокапель, находящихся в ограниченном слое магнитной жидкости при воздействии электрического и магнитного полей.....77

3.1.2. Изгибная неустойчивость полосы жидкого диэлектрика в магнитной жидкости под действием магнитного и электрического полей...........................91

3.2. Анализ полученных результатов....................................................................100

ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ..........................................109

4.1. Экспериментальные исследования и их результаты...................................110

4.2. Анализ полученных результатов....................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные жидкости - это искусственные материалы, которые были синтезированы в середине прошлого века. Они относятся к материалам, свойствами которого можно управлять при помощи воздействия внешних электромагнитных полей, что открывает довольно интересные перспективы их практического применения. Однако оказалось, что только магнитные свойства МЖ способны сильно изменять при воздействии полей, чего нельзя сказать об электрических. Обнаруженная зависимость электромагнитных параметров магнитных жидкостей от воздействия магнитных и электрических полей оказалась относительно слабой и не дала возможности широкого применения подобных эффектов на практике.

Вместе с тем на основе магнитных жидкостей оказалось возможным создание новых композиционных сред, которые проявляют более заметную зависимость своих свойств от воздействия магнитных и электрических полей. Наряду с другими к таким средам относятся магниточувствительные эмульсии, которые привлекают большой интерес исследователей как с чисто научной точки зрения, так | и возможности их применения на практике в качестве магниточувствительных систем.

Актуальность проблемы. К настоящему времени имеется достаточно большое число экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению магниточувствительных эмульсий, однако, многие проблемы остаются открытыми. Важным аспектом исследований являются процессы структурообразования, происходящие в таких средах, и динамика частиц их дисперсной фазы при воздействии внешних полей, чему уделено недостаточно внимания в существующих в настоящее время работах. Вместе с тем, изменение структуры эмульсий, процессы деформации составляющих их микрокапель могут оказывать существенное влияние на магнитные и электрические свойства таких дисперсных систем и, как следствие, на успешность их применения на практике. Поэтому изучение особенностей деформации микрокапель магниточувствительных эмульсий при воздействии на них

электрических и магнитных полей и связанного с ними изменения макроскопических свойств таких систем является актуальным и, безусловно, представляет общенаучный интерес. Результаты исследования в этой области могут также представлять интерес при разработке сред, магнитными и электрическими свойствами которых можно эффективно управлять путем воздействия внешними полями.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей деформации капель дисперсной фазы магниточувствительных эмульсий в магнитном и электрическом полях, а также влияние структурно-динамических процессов на макроскопические электрические свойства таких систем.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- синтезировать устойчивые магниточувствительные эмульсии с малым межфазным натяжение на границе микрокапля-среда;

- исследовать особенности деформации микрокапель, магниточувствительных эмульсий в электрическом и магнитном полях, а также при их одновременном действии;

- установить особенности макроскопических электрических свойств магниточувствительных эмульсий (синтезированных на основе указанных выше сред), обусловленные деформационными эффектами при воздействии внешних полей.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

высоких частотах электрического поля и магнитные и немагнитные капли принимают

форму вытянутого эллипсоида вращения.

Установлена последовательность обнаруженной трансформации формы немагнитной капли, взвешенной в магнитной жидкости в результате воздействия низкочастотного электрического поля при последовательном увеличении его амплитуды - деформация в сплюснутый эллипсоид вращения, трансформация в тороид, развитие

изгибной неустойчивости и ее последующее разрушение на более мелкие вращающиеся капли, образующих гексагональную решетку. Предложен и обоснован механизм вращения капель и влияния на его частоту дополнительного воздействия магнитного поля, отличающийся от ранее предлагавшихся механизмов электровращения учетом возможности деформации микрокапли под воздействием внешних полей и соотношения времен поворота капли и релаксации ее формы.

Обнаружена и исследована изгибная неустойчивость полосы вязкого жидкого диэлектрика, взвешенной в тонком слое магнитной жидкости при действии перпендикулярных электрического и магнитного полей. Показана возможность компенсации изгибной неустойчивости, возникшей в электрическом поле с помощью дополнительного воздействия магнитным полем.

Установлено возникновение анизотропии электрических свойств синтезированной магниточувствительной эмульсии при воздействии на нее магнитного поля, предложен механизм и проведено обоснование возникновения обнаруженной анизотропии.

Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования особенностей деформации и динамики микрокапель магнитных эмульсий, их структурной организации при воздействии магнитных и электрических полей и обусловленных этими процессами особенностей электрических свойств таких сред внесли определенный вклад в развитие исследований фундаментальных проблем физики жидких намагничивающихся сред.

Автор защищает:

- установленные особенности процессов деформации микрокапель магниточувствительных эмульсий, при воздействии переменного электрического поля -изменение формы магнитных микрокапель, взвешенных в немагнитной жидкой среде, при увеличении частоты от сплюснутого до вытянутого эллипсоидов вращения при частоте инверсии деформации порядка 150 Гц и сохранение формы немагнитных капель, взвешенных в магнитной жидкости, в виде вытянутого эллипсоида во всем исследованном диапазоне частот электрического поля. Анализ полученных результатов на основе известных теоретических представлений, учитывающих возможность возникновения электрогидродинамических течений вокруг и внутри микрокапель.

- установленные особенности деформации микрокапель при одновременном действии вращающегося магнитного и электрического полей -трансформация формы микрокапель в трехосный эллипсоид, возникновение при некотором значении напряженности и частоты электрического поля колебаний концов немагнитных микрокапель и их анализ в представлении движения капли как смены ряда равновесных состояний;

- результаты исследования процесса трансформации формы немагнитных микрокапель повышенной вязкости (жидкого каучука), взвешенных в магнитной жидкости, возникающего при последовательном увеличении амплитуды низкочастотного переменного электрического поля, приводящей в конечном итоге к структурной организации образовавшихся более мелких вращающихся микрокапель в структурную гексагональную решетку;

- обнаруженный эффект изгибной неустойчивости полосы вязкого жидкого диэлектрика, взвешенной в тонком слое магнитной жидкости при действии

электрического поля и возможность ее компенсации с помощью дополнительного действия магнитного поля;

- экспериментальные результаты исследования электрических свойств магниточувствительных эмульсий при воздействии магнитного поля, показавшие, что такие среды в магнитном поле проявляют анизотропию электрических свойств и изменяют свою электропроводность и диэлектрическую проницаемость при действии постоянного магнитного поля до 10 % в зависимости от его направления.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 112 наименований. Материал диссертации содержит 143 страницы, 46 рисунков.

В первой главе приведен обзор существующих экспериментальных и теоретических работ, посвященных физике магнитных жидкостей. Значительное внимание уделено поведению отдельных капель как магнитной жидкости, так и не магнитных в магнитном и электрическом полях. Приведены общие сведения об электрических свойствах диэлектрических эмульсий, а также обзор имеющихся работ по проблеме эмульсий магнитных жидкостей. Глава завершается анализом приведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертационной работе.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований поведения капель магнитной жидкости и немагнитной капли, взвешенной в магнитной жидкости, при воздействии электрического, постоянного и вращающегося магнитного полей, а так же при совместном их действии. Обнаружено различие в характере деформации магнитных и немагнитных капель под действием электрического поля. Исследованы конфигурации микрокапель в виде вытянутого и сплюснутого вдоль направления электрического поля эллипсоидов вращения. Показана возможность компенсации деформации

сплющиваемой под действием электрического поля немагнитной капли дополнительным воздействием соноправленного электрического поля.

Изучено поведение магнитной капли, взвешенной в немагнитной жидкости, а также немагнитной капли, взвешенной в магнитной жидкости при одновременном воздействии вращающегося магнитного и переменного электрического полей. Было установлено, что капля принимает устойчивую конфигурацию в виде трехосного эллипсоида, ориентация осей которого, зависит от частот электрического и магнитного полей. Обнаружено, что дополнительное воздействие электрического поля на немагнитную каплю в магнитной жидкости, находящуюся под действием вращающегося магнитного поля приводит к возникновению колебаний формы капли относительно направления электрического поля.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований деформации немагнитных диэлектрических капель, взвешенных в магнитной жидкости и обладающих относительно большим временем релаксации формы, при их расположении в ограниченном тонком слое под действием магнитного и электрического полей. Был обнаружен ряд новых особенностей поведения капли, таких как специфическое вращение капли в электрическом поле и влияние на этот процесс магнитного поля, образование тороидальной конфигурации капли. Проведен анализ обнаруженных явлений.

Исследована изгибная неустойчивость полосы жидкого диэлектрика в тонком слое магнитной жидкости при действии перпендикулярных электрического и магнитного полей. Изучена зависимость длинны волны неустойчивости от напряженностей магнитного и электрического полей, а также от толщины полосы.

В четвертой главе исследованы электрические свойства магниточувствительных эмульсий при взаимодействии с магнитным полем. В частности изучена зависимость удельной диэлектрической проницаемости и проводимости эмульсии от объемной концентрации дисперсной фазы, величины и направления магнитного полей. В

случаях, когда магнитное поле направлено параллельно измерительному электрическому, наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости и проводимости; в случае же взаимно перпендикулярной ориентации магнитного и электрического полей зависимость от поля крайне мала и наблюдается весьма незначительное убывание величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости с увеличением магнитного поля. Когда угол между направлениями электрического и магнитного полей составляет 0°, величины проницаемости и проводимости имеют максимальные значения. Если угол между направлениями полей оказывается равным 45°, проницаемость и проводимость эмульсии не отличаются от их значений в отсутствии магнитного поля. Минимальное значение проницаемость и проводимость эмульсии имеют при угле 90°. Изменение проницаемости более выражено для эмульсии магнитной жидкости в масле, что возможно связано с большей степенью деформации капель магнитной жидкости по сравнению с немагнитными каплями, помещенными в магнитную жидкость, под действием одинакового магнитного поля.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Личный вклад соискателя.

Автором лично проведены все экспериментальные исследования, обработка результатов измерений и все представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравнение полученных результатов экспериментальных исследований с результатами выполненных автором теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.

ГЛАВА 1

ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

1.1. Общие сведения о магнитных жидкостях

В 60 - 70х годах 20 века внимание ученых привлекли ультрадисперсные композиционные материалы, которые позже стали называть магнитными жидкостями (ферроколлоиды, феррожидкости, магнитны