Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Процессы самоорганизации. Образование структур в слое магнитнодиэлектрического коллоида 11
1.1 Процессы самоорганизации среды при внешних воздействиях 11
1.2 Образование структур в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля 17
1.3 Электрические свойства слоя магнитной жидкости при наличии структурных образований 30
1.4 Обоснование направления исследования 41
Глава 2. Объект и методика экспериментального исследования 42
2.1 Объект исследования 42
2.2 Экспериментальная установка 44
2.3 Методика проведения экспериментов и анализ погрешностей 49
Глава 3. Самоорганизация слоя магнитодиэлектрического коллоида в постоянном электрическом поле 56
3.1 Процессы самоорганизации слоя магнитодиэлектрического коллоида при воздействии различной величины постоянного напряжения 56
3.2 Влияние процессов самоорганизации на электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида 68
3.3 Электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида различной толщины, обусловленные процессами самоорганизации 74
3.4 Процессы самоорганизации слоя магнитодиэлектрического коллоида при различном времени воздействия постоянного напряжения 82
3.5 Электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида при различном времени воздействия постоянного напряжения 86
3.6 Динамика развития процессов самоорганизации в тонком слое магнитодиэлектрического коллоида 90
4 Теоретическое обоснование формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля 99
4.1 Модель описания структурирования слоя магнитодиэлектрического коллоида в постоянном электрическом поле 99
4.2 Расчет потенциала электростатического поля заряженного плоскопараллельного конденсатора с находящимися внутри заряженными осями 109
Заключение 119
Литература
- Образование структур в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля
- Методика проведения экспериментов и анализ погрешностей
- Влияние процессов самоорганизации на электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида
- Расчет потенциала электростатического поля заряженного плоскопараллельного конденсатора с находящимися внутри заряженными осями
Введение к работе
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 (20-4-220 мкм);
изучение динамики процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины в зависимости от величины (0-ьЗОО 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.
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.
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 (0.1-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.
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.
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-^-2000 кВ/м) и времени
воздействия (0.1-^30 мин) постоянного электрического поля; явления
возникновения в тонких слоях коллоида (d=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.;
III, 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.
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, задачи исследования, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию процессов самоорганизации в различных средах при внешних воздействиях, к которым относятся и 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" с объемной концентрацией твердой фазы 2%, дисперсионная среда - керосин, поверхностно-активное вещество (ПАВ) - олеиновая кислота. Описаны экспериментальные установки для исследования процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии постоянного электрического поля и электрических свойств слоя коллоида при наличии в нем процессов самоорганизации. Приведены оценки погрешности измерений.
Третья глава содержит результаты экспериментального исследования процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида толщиной d=20-b220 мкм с концентрацией твердой фазы ф = 2% под
действием постоянного электрического поля (Е=(Н2000 кВ/м) при различном времени его воздействия (гЧПч-ЗО минут). Установлено влияние этих процессов на электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида. Обнаружены и исследованы явления возникновения в тонких слоях магнитодиэлектрического коллоида (d = 20+25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей. Также установлено, что возникновение вихрей сопровождается образованием «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в центре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волны.
В четвертой главе представлено теоретическое описание процессов формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля, результаты которого качественно совпадают с экспериментом.
В заключении сделаны выводы по результатам диссертационной работы.
Образование структур в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля
Известно, что в слое магнитнодиэлектрического коллоида под действием различных факторов могут возникать структурные образования [13-22]. Возникновение структурных образований в слое магнито-диэлектрического коллоида может происходить как в магнитном поле, так и в электрическом, а также при совместном их действии. Возникающие структурные образования в слое магнитнодиэлектрического коллоида под действием магнитного поля достаточно хорошо изучены [19-22], о чем сообщается в ряде работ [23-26]. В последнее время также появились работы [27-31], посвященные исследованию возникновения и трансформации структурных образований под действием различных факторов в устойчивых магнитных коллоидных системах, полученных путем добавления различных наполнителей в магнитнодиэлектрический коллоид.
Настоящий параграф будет посвящен обзору работ, в которых рассмотрены процессы образования структур, возникающие под действием электрического поля в слое магнитодиэлектрического коллоида, представляющего собой магнитную жидкость типа «магнетит в керосине», стабилизатор - олеиновая кислота. Такая магнитная жидкость представляет собой высокоустойчивый коллоидный раствор твердых однодоменных магнитных частиц магнетита (FeOFdOs) в керосине. Объемное содержание твердой магнитной фазы в такой жидкости может достигать 25 процентов. Седиментационная устойчивость магнитной жидкости достигается использованием дисперсных частиц малых размеров (около 10 нм). Агрегативная устойчивость коллоидной системы достигается путем введения в коллоид определенного количества стабилизатора - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ (олеиновая кислота) образуют на поверхности частиц адсорбционный слой, который создает структурно-механический барьер, препятствующий слипанию частиц.
В работах [32, 33, 23] с помощью оптического микроскопа в слое магнитной жидкости под действием электрического поля наблюдали образование агрегатов. Наблюдения производились в проходящем свете, для этого была использована плоскопараллельная стеклянная ячейка с электродами, заполненная магнитной жидкостью. Толщина слоя МЖ с объемной концентрацией (р = 6% была 25 или 40 мкм. На жидкость воздействовали постоянным или переменным электрическим полем, которое получали, подавая напряжение (U) на электроды ячейки. Напряжение повышали, выдерживая ячейку при каждом новом фиксированном его значении несколько минут, вплоть до прекращения видимых изменений структурных образований в слое МЖ.
В отсутствии внешних полей визуальные наблюдения не выявили структурных образований в слое МЖ. При воздействии постоянного электрического поля на слой МЖ (h = 20 мкм) наблюдали образование агрегатов твердой фазы в приэлектродной области, характерное время образования которых 20 секунд. На рисунке 1.2 представлены агрегаты твердой фазы в приэлектродной области.
Размер агрегатов составлял порядка 1 мкм, их процесс формирования начинался при напряжении на электродах 4 В (средняя напряженность электрического поля в слое МЖ Е 160 кВ/м). Численность агрегатов и их линейный размер росли с увеличением приложенного напряжения.
Путем ступенчатой регистрации по слоям с шагом 2 мкм было выявлено, что микрокапельные агрегаты в слое МЖ сосредоточены на глубине 2±1 мкм от поверхности электродов. При напряжении порядка 6 В (Е 240 кВ/м) наблюдали участие агрегатов в электрофоретическом движении, которое проявлялось в колебательном перемещении их в приэлектродном слое. При напряжениях больших 12 В (Е 500 кВ/м), по мнению авторов, возникала ЭГД- неустойчивость в слое МЖ, которую регистрировали по разрушению приэлектродного слоя с микрокапельными агрегатами. При этом агрегаты перемещались в глубину слоя МЖ.
При увеличении толщины слоя МЖ в ячейке (h = 40 мкм) наблюдали аналогичную последовательность образования агрегатных структур с той разницей, что характерные стадии структурной перестройки возникали при более низких значениях средней напряженности поля. Воздействие переменным электрическим полем частотой 1-Т-5 Гц (амплитуда синусоидального напряжения 6 В) также приводило к появлению в приэлектродном слое МЖ микрокапельных агрегатов (рисунок 1.3). При увеличении частоты приложенного напряжения наблюдаемые агрегаты уменьшались в размере, и при частоте большей 15 Гц образование слоя с микрокапельными агрегатами не фиксировалось с помощью микроскопа. При частоте переменного напряжения 12 Гц возникновение структурных образований или ЭГД- неустойчивости в слое МЖ не фиксировалось вплоть до значений амплитуды 16 В (Е 500 кВ/м).
В работе отмечается, что после отключения внешних полей агрегаты принимали сферическую форму и в течение времени порядка 10 минут разрушались. Коагуляция имела обратимый характер.
Теоретическое описание экспериментальных исследований производилось на основе термодинамического подхода о фазовых переходах. Попытки более детального теоретического обоснования явлений, подобных экспериментально исследованным явлениям, предпринимались в работах [21,22,34].
В работах [35-37, 24] сообщается, что помимо агрегатов в слое МЖ наблюдается возникновение структурных решеток вблизи стеклянного электрода с токопроводящим покрытием. Так, при подаче поляризующего напряжения в слое первоначально однородной магнитной жидкости возникают различные структуры, форма которых зависит от толщины слоя МЖ, величины напряжения на электродах ячейки, концентрации твердой фазы. Авторы приводят фотографии структурных образований, наблюдаемых ими в зависимости от условий эксперимента («веретенообразная», «чешуйчатая», «полосовая, «планарная» или «гантелеобразная»).
Методика проведения экспериментов и анализ погрешностей
Исследования процессов самоорганизации в слое магнито-диэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля проводились следующим образом. Вначале представленный на рисунке 2.1 конденсатор заполняли слоем магнитодиэлектрического коллоида толщиной 150 мкм с объемной концентрацией твердой фазы ф = 2%, толщина слоя определялась прокладкой 2 на рисунке 2.1 с точностью ±5 мкм. Электрическое поле в слое магнитодиэлектрического коллоида образовывалось путем подачи на прозрачные электроды конденсатора постоянного напряжения, величина которого изменялась 0-К300 В. Постоянное напряжение подавалось в диапазоне 0-нбО В, с шагом 2 В, 6(Ы50 В с шагом 5 В, 150ч-300 В с шагом 10 В. Точность определения постоянного напряжения составляла + 0.1 В.
При воздействии постоянного напряжения за слоем магнито-диэлектриского коллоида проводились наблюдения как в проходящем, так и отраженном свете (рисунок 2.2).
Исследование электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида при воздействии постоянного электрического поля производилось с помощью экспериментальной установки (рисунок 2.4), которая позволяет проводить измерения как на постоянном, так и на переменном токе. На постоянном токе возможно определить вольтамперную характеристику конденсатора (рисунок 2.1) и по ее результатам рассчитать проводимость конденсатора. На переменном токе возможно использовать резонансный метод, основанный на резонансных свойствах колебательного контура, который позволяет определять емкость и активную проводимость исследуемого конденсатора при воздействии постоянного напряжения как по последовательной, так и по параллельной схеме замещения. Исследования проводились следующим образом. На вход контура подавалось напряжение синусоидальной формы от генератора 11 с действующим значением Е = 1.5 В и изменяемой частотой, которая определялась частотомером 10. Точность определения частоты в диапазоне 2ч-20 кГц составляла ±30 Гц. Колебательный контур исследовался в резонансном режиме. Резонанс достигался изменением частоты входного напряжения и определялся по максимуму переменного тока через контур, резонансная частота при слое магнитодиэлектрического коллоида толщиной 150 мкм составляла 16 кГц. Постоянное напряжение подавалось на конденсатор от источника постоянного напряжения 14 и регистрировалось вольтметром 3. Величина постоянного и действующее значение переменного тока в контуре вычислялись по падению напряжения на сопротивлении 5, измеряемого вольтметром 7, с погрешностью 0.3%. Случайная погрешность измерений [54-57] оценивалась с помощью алгоритма представленного в [56] и составляла 3 % с доверительной вероятностью Р=0.95. В результате измерений получали значения постоянного и резонансного тока контура в зависимости от постоянного напряжения на электродах конденсатора.
Затем после исследования слоя магнитодиэлектрического коллоида толщиной 150 мкм эксперименты повторялись для другой толщины в диапазоне 20- 220 мкм. Результаты измерений представлены в приложении (таблица 1).
Следует отметить, что измерения действующего значения переменного тока контура в резонансном режиме при воздействии постоянного напряжения для различных по толщине слоев магнитодиэлектрического коллоида проводились на различных частотах: 6 кГц для 20 мкм и 19 кГц для 220 мкм. Амплитуда синусоидального напряжения на электродах конденсатора зависела от добротности контура и для всех исследованных слоев магнтодиэлектрического коллоида составляла 5+10 В. Воздействие синусоидального напряжения указанной выше частоты и амплитуды не приводит к возникновению структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида.
Воздействие постоянного напряжения в диапазоне 0 -250 В для всех исследованных слоев магнитодиэлектрического коллоида не приводило к изменению резонансной частоты в пределах точности измерений ±30 Гц. Это позволило заключить, что емкость контура, определяемая из резонансного режима, при воздействии постоянного напряжения не изменяется. В свою очередь это свидетельствовало о том, что воздействие постоянного напряжения не приводит к изменению емкости конденсатора, заполненного магнитодиэлектрическим коллоидом, на резонансной частоте. Емкость контура с конденсатором (рисунок 2.1), заполненным слоем магнитодиэлектрического коллоида толщиной 150 мкм, составляла 450 пФ. Эта емкость состоит из емкости установки и емкости исследуемого конденсатора, как показано на рисунке 2.4. Емкость установки определяли путем включения в контур стандартного конденсатора с известным номиналом, затем из резонансного режима определяли емкость и активное сопротивление измерительной установки, которые составляли 120 пФ и 600 Ом соответственно. Емкость исследуемого конденсатора можно представить в виде двух параллельно соединенных емкостей, первая из которых обусловлена прокладкой, а вторая - слоем магнитодиэлектрического коллоида [58]. Площадь прокладки составляет порядка 40% от общей площади конденсатора, в результате емкость, обусловленная прокладкой, для слоя 150 мкм составляет НО пФ. Воздействие постоянного напряжения может изменять только емкость, обусловленную слоем магнитодиэлектрического коллоида, которая для слоя 150 мкм составляет 220 пФ. Ошибка измерения резонансной частоты +30 Гц дает погрешность определения емкости ±2 пФ, что для емкости обусловленной слоем магнитодиэлектрического коллоида составляет погрешность измерения 2 %.
Влияние процессов самоорганизации на электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида
При дальнейшем увеличении напряжения в диапазоне Un = 26+65 В наблюдается лабиринтная структура. Максимальный размер структурных образований составляет несколько миллиметров. В отраженном свете в этом диапазоне напряжений наблюдается хаотизация поверхностных волн, возникают автоволны - делящийся фронт (рисунок 3.2-3.5).
При увеличении напряжения Un = 65+90 В лабиринтная структура опять переходит в ячеистую, причем структурные образования становятся менее выраженными. В отраженном свете, кроме пейсмекеров, возникают другие источники возбуждения - раскручивающиеся спирали или спиральные волны, которые гасят пейсмейкер, являющийся более медленным автоволновым источником (рисунок 3.5).
При дальнейшем увеличении напряжения в диапазоне Un = 90+250 В происходит укрупнение ячеек, причем их средний размер на порядок превышает ячейки при напряжении Un = 16 В и составляет порядка 3 мм. В отраженном свете наблюдаются спиральные волны (рисунок 3.5-3.8). Следует отметить, что наблюдаемые спиральные волны охватывают всю площадь конденсатора в отличие от работы [46], где, по мнению авторов, возникает ревербератор (спиральная волна) на фоне автоволн при постоянном напряжении 10+15 В (см. рисунок 1.8).
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 электрического ПОЛЯ.
В диапазоне напряжений Un = 130+250 В наблюдается появление в слое магнитодиэлектрического коллоида пузырьков газа, которые хаотически двигаются. С увеличением напряжения скорость, средний размер и количество пузырьков увеличиваются. При столкновении движущихся пузырьков газа их объединения не происходит. После снятия напряжения их движение прекращается, и находящиеся рядом пузырьки газа объединяются в течение времени, сравнимого со временем спада постоянного напряжения (доли секунды), разрушение же структур происходит в течение нескольких минут (3+5 минут).
Появление пузырьков газа свидетельствует о том, что слой магнитодиэлектрического коллоида подвергается сильному (предпробойному) воздействию постоянного электрического поля.
В результате этого эксперимента были визуально зарегистрированы в слое магнитодиэлектрического коллоида процессы самоорганизации, выражающиеся в виде структурных образований размером несколько миллиметров, автоволн и спиральных волн. Структурные образования имели такие размеры, что их можно было наблюдать в проходящем свете без помощи микроскопа при напряженностях 40-К2000 кВ/м. Следует отметить, что структурные образования таких размеров в слое магнитодиэлектрического коллоида, как следует из анализа литературы, ранее не наблюдались. Возникновение структурных образований таких размером, несомненно, должно приводить к изменению свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида. В связи с этим далее производились исследования электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида при наличии в нем процессов самоорганизации.
Для исследования влияния процессов самоорганизации на электрические свойства слоя магнитодиэлектрического коллоида конденсатор (рисунок 2.1) с источником постоянного напряжения включали в последовательный колебательный контур (рисунок 2.3). Производилось измерение тока контура и постоянного напряжения на конденсаторе по методике, описанной в работе [59] и во второй главе настоящей работы. Измерения проводились на резонансной частоте f = 16 кГц, действующее значение синусоидального напряжения на конденсаторе зависило от добротности контура и составляло (5-ИО) В. Воздействие измерительного напряжения не приводило к возникновению в слое магнитодиэлектрического коллоида структурных образований. Эти результаты исследования согласуются с результатами, полученными в работах [11, 20]. Кроме того, не было выявлено влияния синусоидального напряжения на возникновение и трансформацию структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием различной величины постоянного напряжения.
На рисунке 3.9 представлены экспериментальные кривые изменения резонансного тока контура (кривая 1) и постоянного тока контура (кривая 2) в зависимости от постоянного напряжения на конденсаторе (Приложение Таблица 1). Время выдержки при каждом значении (шаге) постоянного напряжения составляло 5- 10 секунд. Постоянный ток, как и структурные образования, изменялся со временем, их изменения для различной величины постоянного напряжения будут рассмотрены ниже в параграфах 3.4-3.5.
Представленные зависимости тока контура от постоянного напряжения обусловлены изменением активной проводимости конденсатора. В свою очередь изменение проводимости происходит вследствие возникновения агрегатов, их структурирования и самоорганизации.
Следует отметить, что наблюдаемый максимум резонансного тока контура при воздействии постоянного напряжения в диапазоне 16- -26 В, соответствует переходу ячеистой структуры к лабиринтной, наблюдаемой в проходящем свете, а также возникновению и синхронизации автоволн, наблюдаемых в отраженном свете. В этом же диапазоне напряжений наблюдается и нелинейность постоянного тока контура при воздействии постоянного напряжения, причем в течение времени (t = 0.1- -30 минут) постоянный ток через конденсатор при постоянном напряжении до 15 В уменьшался, что согласуется с результатами, полученными в работе [23], а при напряжениях более 15 В постоянный ток со временем увеличивался.
По экспериментальным данным тока контура и постоянного напряжения на конденсаторе, были рассчитаны эквивалентные активные проводимости параллельной схемы замещения конденсатора как на постоянном, так и на переменном токе резонансной частоты [58, 59]. На постоянном токе проводимость Gn0CT определялась как отношение постоянной составляющей тока через конденсатор к постоянному напряжению на нем:
Расчет потенциала электростатического поля заряженного плоскопараллельного конденсатора с находящимися внутри заряженными осями
Ранее при рассмотрении электрических свойств различных по толщине слоев магнитодиэлектрического коллоида отмечалось, что характер изменения резонансного тока контура зависит от толщины слоя магнитодиэлектрического коллоида. Наиболее значительные изменения резонансного тока под действием постоянного напряжения происходили при толщине слоя d = 20- 40 мкм, что связано с особенностями процессов самоорганизации протекающих в этих слоях. В настоящем параграфе рассмотрены процессы самоорганизации в слое (d = 20+25 мкм) магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного напряжения.
В слое d = 20+25 мкм магнитодиэлектрического коллоида наблюдались структурные образования, форма и размеры которых изменялись в зависимости от величины и времени воздействия постоянного напряжения. При первом воздействии постоянного электрического поля на конденсатор структурные образования отличаются от наблюдаемых при последующих воздействиях. При этом структура выражается в виде ячеек, которые наблюдаются в диапазоне постоянных напряжений (UP = 2 - 8 В). В дальнейшем структура становится менее выраженной, и начиная с напряжения (Up = 12 - 14 В) возникает хаотическое движение жидкости в межэлектродном пространстве, интенсивность которого возрастает при увеличении постоянного напряжения. Перед первым воздействием электрического поля слой магнитодиэлектрического коллоида был однороден и неподвижен. Последующие воздействия осуществлялись после того, как восстанавливались электрические свойства конденсатора на резонансной частоте, и слой магнитодиэлектрического коллоида становился однородным и неподвижным.
В работе [25] также отмечено, что первое воздействие электрического поля на слой магнитодиэлектрического коллоида приводит к отличающимся результатам при повторных воздействиях.
Повторные воздействия постоянного напряжения в диапазоне (Up = 2 - 8 В) создавали аналогичные ячеистые структуры, описанные выше. Начиная с напряжения (UP =11 -12 В) в слое магнитодиэлектрического коллоида образуются структуры в виде колец, размер которых увеличивается в течение определенного времени после установления постоянного напряжения (30 минут), далее наблюдения не производились ввиду незначительности изменения структур. Последовательность образования данных структур можно описать следующим образом: в слое коллоида на фоне ячеистой структуры образуются более концентрированные области в виде капель размером порядка 50-100 мкм (рисунок 3.19 а), которые затем объединяются в цепочки (рисунок 3.19 Ь), а цепочки в свою очередь превращаются в кольца, которые находятся во вращательном движении (рисунок3.19 сие).
Внешний диаметр колец составляет 150 - 400 мкм. Вращение колец происходит как по, так и против часовой стрелки. Частота вращения составляет порядка 1 об/мин. Данные структуры также перемещаются в горизонтальной плоскости межэлектродного пространства со скоростью порядка 100 - 200 мкм/мин, направление движения имеет случайный характер, при сближении с другими структурами происходит их объединение. Характерное время образования колец составляет порядка 5 минут. По прошествии этого времени в слое магнитодиэлектрического коллоида могут существовать структурные образования в виде колец и капель. Структуры, имеющие диаметр менее 150 мкм, имеют форму капли, при больших диаметрах структуры имеют форму колец. С течением времени происходит увеличение концентрации твердой фазы в кольцах и каплях за счет «подсоса» частиц из окружающего их пространства.
