Введение к работе
Актуальность проблемы определяется интересом к исследованию многообразия процессов, происходящих в равновесных формах ограниченных объемов (каплях) жидкостей под действием внешних полей. Известным является тот факт, что свойства вещества в ограниченных объемах отличаются от свойств вещества в объеме из-за проявления размерных эффектов. Наглядное представление об изменении свойств жидкости при переходе ее из свободного состояния в приповерхностное можно получить, рассматривая каплю жидкости или ее тонкий плоский слой. Диспергирование жидкости на капли, и поведение отдельных капель играет ведущую роль в технологиях нанесения покрытий, распыления топлива в двигателях, струйной печати, сепарации, капельного охлаждения и многих других. Разработаны принципиально новые эффективные электрокаплеструйные технологии для различных отраслей промышленности, исполнительным элементом которых является «управляемая» капля (органической или неорганической жидкости, капля эмульсии или суспензии биологических продуктов). Воздействуя на каплю, целенаправленно изменяют ее параметры и тем самым обеспечивают гибкость процесса управления. Несмотря на значительный интерес к рассматриваемой проблеме, до сих пор не найдено адекватного описания взаимодействия капель с внешними полями даже для простых ситуаций. Большая часть исследований проведена для капель идеально проводящих жидкостей или идеальных диэлектриков. Вместе с тем, свойства реальных жидкостей, тем более, коллоидных, могут существенно отличаться от модельных представлений. Эффективность управления динамикой капель коллоидов и, в частности, магнитных, определяется уровнем понимания закономерностей их взаимодействия с внешними полями. Особый интерес вызывает взаимодействие капель таких коллоидов, как магнитные жидкости (МЖ), с электрическим и магнитным полями. Искусственно созданные высокодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков – магнитные жидкости сочетают в себе магнитные свойства в магнитном поле, свойства диэлектриков в электрическом поле и подвижность, характерную для классических жидкостей.
Относительный объем приповерхностных областей в каплях весьма значителен, поэтому взаимодействие капель с внешними электрическим и магнитным полями не может не зависеть от процессов, происходящих в приповерхностных областях. В настоящее время решены стационарные задачи о форме капли диэлектрика, учитывающие конвективный перенос заряда по ее поверхности в электрическом поле [1]. Между тем, теория и практика ставят задачу рассмотрения влияния динамических процессов, протекающих в приповерхностных слоях капель композиционных сред, на их деформацию и устойчивость в электрическом и магнитном полях. Моделирование деформации и устойчивости капель МЖ во внешних полях с анализом явлений, протекающих в приповерхностном слое, только начинается. Актуальность рассмотрения процессов, протекающих в объеме капли магнитной жидкости и ее приповерхностном слое, при взаимодействии с электрическими и магнитными полями заключается также в простоте и доступности экспериментальных исследований, высокой стабильности коллоида в отсутствии внешних воздействий и малом размере дисперсных частиц (~10 нм). Использование в данной работе магнитных жидкостей оправдано тем, что результаты, полученные для капель МЖ, остаются справедливыми как для известных магнитодиэлектрических коллоидов, композиционных сред, так и для вновь синтезируемых материалов с наноразмерными частицами. Вовлечение в рассмотрение коллективного поведения частиц твердой фазы в приповерхностном слое капли МЖ приводит к существенному расширению видения явлений на границе раздела фаз, обусловленных взаимодействием электрических, магнитных и поверхностных сил.
В данной диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1985 – 2009 годах. Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР по направлению 1.3 «Физика твердого тела», постановлением Госкомитета СССР по науке и технике N 678 от 21.12.83 г. «О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов c использованием магнитных жидкостей», Комплексной программой Минвуза РСФСР на период до 1990г. по проблеме «Магнитные жидкости», ежегодными планами НИР СевКавГТУ.
Цель и задачи исследования: целью работы является установление взаимосвязи механизмов деформации, потери устойчивости и распада на отдельные фрагменты капель магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях с процессами структурообразования твердой фазы в приповерхностном слое капель.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучались гидростатические и гидродинамические ситуации, включающие истечение, деформацию и потерю устойчивости неподвижных и вращающихся капель магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях с одновременным контролем параметров их формы и теоретическим анализом наблюдаемых явлений.
-
Осуществлялся поиск и анализ взаимосвязи процессов структурообразования твердой фазы в приповерхностном слое под действием постоянного и переменного электрических полей с параметрами деформируемой капли магнитной жидкости.
-
Выявлялись особенности электрофизических свойств приповерхностного слоя, обусловленные процессами образования в нем динамических структур под действием постоянного и переменного электрических полей.
-
Анализировались поверхностное и межфазное натяжения магнитных жидкостей различного химического состава и концентрации твердой фазы по фигурам равновесия капель во внешних полях.
-
Проводились усовершенствование известных и разработка новых практических применений капель магнитных жидкостей, основанных на управлении их параметрами в электрическом и магнитном полях.
Научная новизна:
-
Впервые дан теоретический анализ и проведены экспериментальные исследования динамики изменения формы капли магнитной жидкости при одновременном воздействии на нее стационарных магнитного и электрического полей. Показано, что капля МЖ как в электрическом, так и в магнитном поле до определенных напряженностей принимает форму, близкую к вытянутому вдоль направления поля эллипсоиду вращения. Установлено увеличение деформации капли при совпадении направлений электрического и магнитного полей и достижение компенсации деформации, если поля направлены ортогонально. Обнаружено, что в электрическом поле критической напряженности капля МЖ теряет устойчивость, которая выражается в заострении концов капли и отделении от них дочерних капель. Оценено влияние коллинеарного и ортогонального магнитных полей на критическую напряженность электрического поля.
-
Обнаружено изменение формы капли, характера движения и порога устойчивости капли МЖ во вращающемся магнитном поле при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) поля, приводящее к переходу вращательного движения в колебательное относительно вектора напряженности электрического (магнитного) поля. Определено соотношение напряженностей полей при критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное.
-
Изучено взаимодействие капель МЖ, сформированных в агрегат, в зависимости от взаимных направлений и напряженностей электрического, магнитного полей, а также оси агрегата. Показано, что при изменении напряженностей и ориентации внешних полей капли могут как притягиваться, так и расталкиваться.
-
Рассмотрено влияние структурной организации дисперсной фазы приповерхностного слоя капли МЖ в электрическом поле на ее деформацию. Систематизированы типы структурных образований и их трансформация в зависимости от величины, времени воздействия приложенного напряжения и толщины слоя МЖ, выявлены новые динамические структуры в виде вращающихся колец, вихрей, «больших» лабиринтов размером до 5 мм.
-
Впервые исследованы автоколебания постоянного напряжения на электродах ячейки со слоем МЖ, возникающие при протекании в ней постоянного тока, задаваемого внешним источником тока. Показано, что возникновение и прекращение автоколебаний сопровождается изменением структурной организации приповерхностного слоя.
-
Установлено, что слой магнитной жидкости при наличии в нем структурных образований представляет как в постоянном, так и в низкочастотном переменном электрическом поле активную нелинейную среду, свойства которой зависят от толщины слоя; при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного электрических полей он может проявлять свойства как линейного, так и нелинейного элемента в зависимости от величины постоянного напряжения, амплитуды и частоты переменного напряжения.
-
Обнаружены особенности электрофизических свойств структурированного
слоя МЖ, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного напряжений может принимать отрицательное значение.
-
Экспериментально получены данные по поверхностному натяжению магнитных жидкостей и обнаружено, что коэффициент поверхностного натяжения МЖ зависит от их химического состава, концентрации твердой фазы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н 10 кА/м.
-
Проведены оценки формы и объема свободной невесомой капли, а также капли, истекающей из отверстия, в магнитном поле, получены количественные оценки отклонения формы свободной капли от эллипсоида вращения, обнаружено изменение объема истекающей из отверстия капли МЖ при изменении напряженности воздействующего магнитного поля.
-
При использовании слоя магнитной жидкости в качестве активного диэлектрика емкостного элемента последовательного колебательного контура показана возможность управления резонансным током и добротностью контура путем изменения напряженности постоянного электрического или магнитного полей.
-
Разработан электрический способ диспергирования МЖ, позволяющий синтезировать эмульсии на основе магнитной жидкости с высокой концентрацией дисперсной фазы и, таким образом, повысить чувствительность эмульсии к магнитному полю. Оптимизирован состав магнитных эмульсий, использующихся в технике магнитной записи и дефектоскопии.
Достоверность:
достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Основным экспериментальным методом является визуализация и контроль процессов взаимодействия капель МЖ с внешними полями, а также процессов структурообразования в приповерхностном слое капель МЖ при помощи современных методов цифровой фотографии и видеозаписи, компьютерной обработки экспериментальных данных. Короткие времена экспозиции и использование для наблюдений современных видеокамер позволяют наблюдать детали процессов с высоким временным и пространственным разрешением. В работе использованы только устойчивые высокодисперсные образцы магнитной жидкости. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния, электрофизики и физики магнитных явлений; согласуются с накопленным опытом исследования капель магнитных и диэлектрических жидкостей. Основные результаты и сделанные выводы многократно доложены и обсуждены на Международных, Российских и других научных конференциях.
Область применения результатов:
-
Проведенные исследования закономерностей устойчивого и неустойчивого состояния капель магнитной жидкости могут быть использованы для объяснения процессов, реализующихся на границе раздела несмешивающихся жидкостей, то есть в ситуациях, часто встречающейся в физике конденсированного состояния, коллоидной химии и химической технологии. Трактовка явлений неустойчивости полезна при электростатическом распылении инсектицидов и топлив, получении порошков тугоплавких металлов.
-
С процессами образования динамических структур и реализацией неустойчивого состояния приходится сталкиваться при анализе грозовых явлений, града, воронок, смерчей, огней св. Эльма, плоских молний, торнадо и других явлений. Именно эти давно известные, но до сих пор полностью не осмысленные на физическом уровне природные феномены служат одной из причин интереса к возможности моделирования аналогичных процессов в лабораторных условиях.
-
Практическую значимость имеют предложенный электрический способ диспергирования эмульгированных капель МЖ (А.с.[33]) и результаты оптимизации состава эмульсий магнитных жидкостей для дефектоскопии (А.с.[34, 37]).
-
Полученные результаты используются в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов кафедры Теоретической и общей электротехники СевКавГТУ, в учебном процессе при изучении дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Техника высоких напряжений», курсов по выбору.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретического анализа и экспериментального исследования деформации и устойчивости капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них электрического и магнитного полей. Обнаруженную потерю устойчивости капель магнитной жидкости в электрическом поле и влияние на нее магнитного поля, направленного коллинеарно и ортогонально электрическому полю. Положение о трансформации капли из трехосного эллипсоида в эллипсоид вращения при ортогонально направленных электрическом и магнитном полях и вывод условий трансформации.
-
Экспериментальное подтверждение модели взаимодействия капли магнитной жидкости с вращающимся магнитным полем при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) полей. Положение о критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное относительно вектора напряженности стационарного электрического (магнитного) поля и определение его условий.
-
Результаты экспериментального исследования взаимодействия капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них стационарных электрического и магнитного полей, демонстрирующие отталкивание или притяжение капель в зависимости от взаимных направлений оси агрегата, векторов электрического и магнитного полей.
-
Связь деформации капли магнитной жидкости с образованием динамических структур в ее приповерхностном слое и их трансформацией при изменении напряженности постоянного поля, времени его воздействия, а также толщины слоя. Выявленные закономерности динамики структурных образований дисперсной фазы магнитной жидкости в слое и новые типы структур, образующиеся в постоянном электрическом поле, а также при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного полей. Изменение структурных образований в зависимости от плотности задаваемого постоянного тока, протекающего через слой магнитной жидкости, в режиме автоколебаний постоянного напряжения.
-
Положение о том, что при наличии структурных образований приповерхностный слой МЖ представляет как в постоянном, так и в переменном низкочастотном электрическом поле активный нелинейный элемент; при одновременном воздействии постоянного и низкочастотного переменного электрических полей слой МЖ в зависимости от напряженности постоянного поля, амплитуды и частоты переменного поля проявляет свойства как линейного, так и нелинейного элемента.
-
Особенности электрофизических свойств структурированного приповерхностного слоя, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии на него постоянным и переменным низкочастотным электрическими полями в зависимости от соотношения напряженностей полей может принимать как положительное, так и отрицательное значение.
-
Экспериментально установленные зависимости коэффициента поверхностного натяжения магнитных жидкостей различного химического состава от концентрации твердой фазы в жидкости-носителе. Положение о независимости коэффициента поверхностного натяжения МЖ от напряженности магнитного поля Н 10 кА/м. Результаты анализа истечения капли МЖ из отверстия в горизонтальной плоскости, показывающие изменение ее формы и объема в зависимости от направления и напряженности воздействующего магнитного поля.
-
Использование слоя МЖ в качестве активного диэлектрика емкостного элемента электрического колебательного контура, резонансные характеристики которого регулируются постоянным электрическим или магнитным полями.
-
Способ электрического диспергирования капель МЖ и устройство для его реализации, позволяющие эмульгировать магнитные жидкости, плотность которых в 1,4…1,6 раз превышает плотность воды, и получать устойчивую эмульсию, которая обладает повышенной чувствительностью к магнитному полю.
Апробация работы: проводилась на Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 1985, 1988, 1996, 2000); Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1987, 1990); Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988) Международных конференциях по магнитным жидкостям (Riga, 1989, 1995; Paris, 1992; Bremen, 2001; Delhi, 2003; Плес, 2002, 2004, 2006, 2008); III Конференции по применению магнитных жидкостей в биологии и медицине (Сухуми, 1989), Научно-методических конференциях «Университетская наука–региону» (Ставрополь, 1997, 1998, 2004, 2005); XXIX научно-технической конференции (Ставрополь, 1999); Российской научно-практическая конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2001); XXX – ХХХVI научно-технических конференциях СевКавГТУ (Ставрополь, 2002 –2008); VII Международной конференции "Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей" (Санкт-Петербург, 2003); III International Conference Fundamental Problems of Physics (Казань, 2005); IV Международной научно-практическая конференция "Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике" (Новочеркасск, 2005); II Международной научно-практической конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской научной конференции "Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем" (Ставрополь, 2007), XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009).
Основные результаты изложены в 54 публикациях, в том числе в 16 реферируемых работах из перечня изданий ВАК РФ:
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 312 страниц, из них 141 рисунок, 10 таблиц; список цитируемой литературы состоит из 303 наименований.
