Введение
Актуальность. Магнитные жидкости на углеводородной основе (маг-нитодиэлектрические коллоиды), впервые полученные в 60-х годах прошлого столетия и изучаемые до настоящего времени, являются интереснейшим материалом, сочетающим в себе одновременно магнитные и диэлектрические свойства. Это сочетание дает возможность для их использования в качестве активной среды в электротехнических устройствах и аппаратах, а также с целью моделирования различных ЭГД-процессов.
Одним из важных в этом направлении является применение магнитной жидкости в индукционных нейтрализаторах статического электричества, основанных на эффекте взаимодействия свободной поверхности магнитной жидкости с внешним электрическим полем. Этот метод нейтрализации является безискровым, что позволяет применять его в нефтеперерабатывающей, электронной, целлюлозно-бумажной и ткацкой отраслях промышленности, в которых большинство технологических процессов неразрывно связано с образованием и накоплением статического электричества. Безискровое выравнивание потенциалов на изолированных конструкциях является актуальной проблемой в космических технологиях. Не менее интересным является управляемый тепло- и массообмен в условиях почти полного отсутствия гравитации, основанный на взаимодействии свободной поверхности коллоида с внешними электрическим и магнитным полями.
В тоже время большой научный интерес представляет изучение возможности создания магнитного аэрозоля электростатическим методом и управления движением аэрозольных частиц внешними электрическим и магнитным полями. Результаты этих исследования могут найти широкое применение в электрокаплеструйных регистрирующих устройствах и при получении магниточувствительных эмульсий. Достижения в области химии позволили синтезировать новые магнитодиэлектрические коллоиды на основе полимерных материалов. Это дает возможность создания управляемых микро-
устройств (датчики, электронные ключи, оптические электрозатворы и т.д.) с использованием жидкости на полимерной основе в качестве активной среды. Еще одним подтверждением актуальности выбранной тематики является то, что исследования физико-химических и тепло-физических свойств магнитных коллоидов, поведение объема и свободной поверхности во внешних полях отражено как как одно из приоритетных направлений научных исследований на ближайшее десятилетие XXI века в отчете Национального совета по науке и технике при президенте США.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение неустойчивости свободной поверхности магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях и разработка устройств на основе этого явления.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
• Экспериментально определены средние размер и скорость частиц аэрозоля, полученного методом электростатического распыления, произведена оценка значения заряда частицы.
• Получены вольт-амперные характеристики струйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях для диапазона значений концентрации дисперсной фазы ф=0,1...0,2; индукции магнитного поля В=25...40 мТл и межэлектродного расстояния hМЭ=0,013...0,04 м.
• Впервые обнаружено, что использование высококонцентрированных жидкостей (ф= 0,17-0,19) приводит к новому типу неустойчивости свободной поверхности в электрическом и магнитном полях - межэлектродной квазистационарной перемычке. В работе определены вольт-амперные характеристики перемычки и зависимости относительного изменения ее диаметра от величин внешних электрического и магнитного полей, межэлектродного расстояния.
• Впервые обнаружено и экспериментально исследовано периодическое изменение диаметра межэлектродной перемычки в приэлектродной области при постоянстве внешних электрического и магнитного полей. Получены и проанализированы амперо-временные зависимости перемычки при возникновении автоколебательного процесса, установлена зависимость периода колебаний от межэлектродной разности потенциалов для магнитной жидкости с концентрацией дисперсной фазы ф=0,19.
1. Впервые определено критическое значение концентрации дисперсной фазы (ф=0,033), ниже которого на поверхности коллоида, независимо от величины индукции магнитного поля, не возникает неустойчивость в виде выступов и впадин.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты экспериментального исследования магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического распыления: размер частиц, их заряд и скорость движения в электрическом поле.
2. Результаты экспериментального исследования струйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях, показавшие влияние концентрации дисперсной фазы на величину тока и расхода жидкости в струе и позволившие выбрать оптимальный диапазон концентраций дисперсной фазы (ф=0,14-=-0,16) для ее использования в индукционных электронейтрализаторах.
3. Результаты экспериментального исследования квазистационарной межэлектродной перемычки, возникающей вследствие неустойчивости свободной поверхности магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях.
4. Результаты экспериментального исследования неустойчивости свободной поверхности магнитной жидкости, позволившие определить критическое значение концентрации дисперсной фазы, ниже которой независимо от ве-
личины индукции магнитного поля поверхность не деформируется в виде выступов и впадин.
5. Устройство для бесконтактного определения электростатической безопасности объектов, основанное на эффекте взаимодействия свободной поверхности магнитной жидкости с внешним электрическим полем.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. (г. Плес, 2000г), Региональных научно-технических конференциях "Вузовская наука- Северо-Кавказскому региону" (Ставрополь, 2001г.), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001г.), I Российской научно-технической конференции "Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе" (Ставрополь, 2001г.), 9-й Международной конференции по магнитным жидкостям (Бремен, 2001г.).
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Диссертация содержит__ страниц текста, без приложения, 1 таблицу, 59 рисунков, список литературы состоит из 126 наименований. Приложение содержит 8 таблиц экспериментальных результатов.
В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, содержащий информацию о свойствах магнитных жидкостей и ее применении в электротехнических устройствах. В обзоре рассмотрены исследования электрофизических свойств магнитных жидкостей, поведения ее свободной поверхности в электрическом и магнитном полях. Показана необходимость и обоснована актуальность экспериментального исследования свойств магнитодиэлектрической жидкости как среды, обладающей одновременно диэлектрическими и магнитными свойствами. Проведен анализ работ,
содержащих информацию о применении электрического поля высокой напряженности, о методах измерения напряженности электрического поля в жидких диэлектриках и устройствах, обеспечивающих отвод зарядов статического электричества. Показана предпочтительность нейтрализаторов индукционного типа.
Во второй главе поставлена задача исследования, описаны экспериментальные установки для исследования: магнитного аэрозоля, полученного методом электростатического распыления; неустойчивости свободной поверхности магнитодиэлектрического коллоида в электрическом и магнитном полях; показаны формы использующихся электродов. Подробно описаны методики определения вольт-амперных зависимостей струйного течения и межэлектродной перемычки, высоты конического выступа при различных начальных условиях, массо- и зарядопереноса при струйном течении жидкости, определения сопротивления перемычки. Заключительный параграф посвящен оценке и учету погрешностей экспериментальных измерений.
Третья глава посвящена исследованию каплеструйного течения магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях. Теоретически определено и экспериментально подтверждено значение заряда частицы. Экспериментально определен средний размер частиц магнитного аэрозоля, возникающего при электростатическом распылении магнитной жидкости и их скорость движения в электрическом поле. Приведены экспериментально полученные вольт-амперные зависимости струйного течения магнитодиэлектрического коллоида для разных значений индукции магнитного поля и концентрации дисперсной фазы. Показана возможность создания при некоторых начальных условиях квазистационарной межэлектродной магнитожидкостной перемычки. Представлены динамика возникновения, вольт-амперные зависимости, результаты измерений геометрических параметров перемычки от различных внешних факторов. Здесь же содержатся результаты экспериментального исследования периодического изменения диаметра перемычки при постоянстве напряженности электрического и индукции магнитного полей.
Приведен качественный анализ наблюдаемых явлений, приведены амперо-временная зависимость, зависимость периода колебаний от межэлектродной разности потенциалов.
Четвертый параграф третьей главы содержит результаты экспериментального и теоретического определения критического значения концентрации дисперсной фазы магнитной жидкости, ниже которого на его поверхности независимо от индукции магнитного поля не возникает неустойчивость в виде совокупности выступов и впадин. В нем же содержатся результаты экспериментального определения порогового значения индукции магнитного поля, при котором возникает неустойчивость на свободной поверхности маг-нитодиэлектрического коллоида для различных толщин слоев магнитной жидкости и начальном значении межэлектродной разности потенциалов.
Четвертая глава посвящена применению эффекта неустойчивости свободной поверхности в электротехнических устройствах. Описано устройство для бесконтактного определения электростатической безопасности объектов, пояснен принцип его работы и методика проведения измерений. Предложено использование межэлектродной перемычки в качестве высокоомного управляемого сопротивления; на основании полученных экспериментальных данных сформулированы пути усовершенствования магнитожидкостного индукционного струйного электронейтрализатора.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Электрофизические свойства магнитных жидкостей
1.1.1. Проводимость и диэлектрическая проницаемость магнитных
жидкостей
Изоляционные свойства материалов характеризуются электрическим сопротивлением и пробивным напряжением. Электрическое сопротивление в жидких диэлектриках определяет силу тока, проходящего по ней при заданном напряжении. В случае представления жидкости в виде многофазной системы необходимо рассматривать проводимость как интегральную характеристику, зависящую от физико-химических свойств дисперсионной среды, т.е. жидкости - носителя; дисперсной фазы - материала и формы коллоидных частиц, а также учитывать влияние сольватной оболочки, покрывающей частицы и не дающей им сблизится под действием Ван-дep-вa^aмqвшию^^иa)й^иpгщщшIвэж©к"'нpгншcxижи2ЩDCтяx, как правило, являются органические среды, занимающие промежуточное положение между ионными диэлектриками и жидкими ионными проводниками (водными растворами электролитов) [1]. Широко используемый в качестве дисперсной фазы «магнетит» имеет в монолите относительно высокую удельную электрическую проводимость, которая однако, на несколько порядков ниже, чем у металлов (у«2-10 См-м") [2]. Поверхностно-активное вещество (ПАВ), формирующее сольватную оболочку на поверхности частицы, (например, олеиновая кислота) обычно также органическая жидкость, имеет близкое к жидкости - носителю значение подвижности носителей заряда и их концентрации. Так как в качественно приготовленной магнитной жидкости все твердые частицы окружены слоем ПАВ, то объемная проводимость магнитной жидкости должна определяться, по-видимому, концентрацией носителей заряда и их под-
вижностью в жидкой фазе. Типичные вольт-амперные характеристики качественно приготовленных магнетитовых магнитных жидкостей на основе керосина приведены на рис. 1.1 [2].
Удельная проводимость исследованных в диапазоне концентраций (ф=0-=-0,3) магнитных жидкостей зависит от объемного содержания «магнетита» немонотонным образом (рис.1.2) [2-4]. В области 0<ф<0,09 проводимость растет с увеличением концентрации магнитных частиц, а в области высоких концентраций (ф>0,16) - уменьшается. Анализ работ [2, 3, 5] позволяет сделать вывод о том, что электропроводность магнитной жидкости обуславливается проводимостью основы (ионами примесей основы) и проводимостью, связанной с переносом заряда вдоль поверхности частиц или агрегатов. При этом общая электропроводность выражается [4] как Yz=Yi+Y2+Y3, где yi - составляющая, обусловленная переносом заряда вдоль поверхности частиц и их агрегатов; у2 - объемная составляющая электрической проводимости, обусловленная проводимостью основы, уз - проводимость, обусловленная переносом заряда за счет миграции частиц дисперсной фазы. Нелинейность зависимости электропроводности от концентрации твердой фазы, а так же наличие максимума электропроводности объясняется тем, что при малых концентрациях твердой фазы, когда yiy2. При достижении определенных концентраций твердой фазы, когда yi»Y2 ограничивается подвижность носителей заряда, связанных с частицами твердой фазы [3, 4] и наблюдается уменьшение общей электропроводности магнитной жидкости. Известно, что аналогичный вид зависимости электрической проводимости свойственен растворам сильных электролитов [6,
Рисунок 1.1 - Типичные вольт-амперные характеристики качественно приготовленных магнитодиэлектрических коллоидов в умеренных полях для: ° - ф=0,08; • - ф=0,3
Рисунок
1.2 - Зависимость удельной электропроводности магнитодиэлектрического коллоида от концентрации дисперсной фазы: • - по данным Г.Э. Кронкалнса,- - - - - по данным В.М. Кожевникова, о - по данным В.Е. Фертмана
14], и снижение проводимости в области высоких концентраций объясняется снижением подвижности ионов при увеличении общего числа носителей заряда. Это обстоятельство позволяет предположить, что в магнитных жидкостях, полученных методом химической пептизации, определенный вклад вносит примесная проводимость.
Электрическая прочность магнитной жидкости характеризуется пробивным напряжением. Измерения пробивного напряжения для магнитных жидкостей на углеводородной основе показали его снижение (более чем на 50%) по сравнению с дисперсной средой [7]. С увеличением магнитного поля, направленного параллельно электрическому, пробивное напряжение дополнительно уменьшается и достигает Епр&0,5 МВ/м при индукции магнитного поля 0,4-=-0,8Тл. Как показывают исследования [8-10], многократное воздействие электрического поля также снижало пробивное напряжение испытываемого образца.
Наряду с проводимостью, не менее важной характеристикой слабопроводящих жидких сред является диэлектрическая проницаемость. Она характеризует интенсивность процесса поляризации в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость зависит от поляризуемости молекул или отдельных ионов и их концентрацииДля магнитных. жидкостей на углеводородной основе важным физико-химическим параметром является концентрация дисперсной фазы, относительная диэлектрическая проницаемость которой выше, чем проницаемость дисперсной среды. Присутствие полярных молекул ПАВ также влияет на диэлектрическую проницаемость жидкости в целом. В [2] содержатся результаты экспериментальных исследований диэлектрической проницаемости для различных частот внешнего электрического поля и концентрации дисперсной фазы. Увеличение концентрации дисперсной фазы ф от 0,05 до 0,19 приводило к увеличению диэлектрической проницаемости МЖ от 3 до 9 на частоте f=100Гц. При увеличении частоты внешнего электрического поля диэлектрическая проницае-
мость плавно уменьшалась с наиболее резким спадом в диапазоне частот f=102-=-103 Гц. Работа [12] посвящена экспериментальному исследованию влияния частоты электрического и интенсивности магнитного полей на диэлектрическую проницаемость различных феррожидкостей. В качестве объектов исследования были выбраны жидкости с основами: керосин, кремнийорганическая жидкость ФМ-6 и дисперсными фазами - магнетитом и карбонильным железом. Исследования показали, что наблюдается явно спадающая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты воздействующего электрического поля для жидкости на основе керосина с карбонильным железом в качестве дисперсной среды. Для остальных жидкостей влияние частоты электрического поля на диэлектрическую проницаемость оказалось менее выраженным. Воздействие постоянного магнитного поля на исследуемые феррожидкости выразилось в увеличении диэлектрической проницаемости. При этом наибольшие изменения наблюдались для жидкостей с дисперсной фазой - карбонильным железом. Для жидкостей с магнетитом в качестве твердой фазы влияние магнитного поля существенно меньше.
В работе [13] установлено, что воздействие электрического поля на магнитную жидкость приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и объясняется возникновением во внешнем поле агрегативных структур. В этой работе отмечается, что диэлектрическая проницаемость магнитных жидкостей увеличивается пропорционально концентрации магнетита. Частотные исследования во внешнем электрическом поле указывают, что диэлектрическая проницаемость уменьшается с увеличением частоты, причем для жидкостей на углеводородной основе скорость уменьшения значительно зависит от величины дополнительного внешнего магнитного поля. 1.1.2. Механизмы зарядообразования в дисперсных системах
Эффективность воздействия электрических полей на процессы, протекающие в диэлектрических дисперсных системах, в значительной мере определяются величиной заряда частиц дисперсной фазы, при этом нельзя не учитывать присутствие свободных носителей заряда в «жидкости - основе». Дисперсная фаза приобретает избыточный заряд как при контакте частиц с поверхностями раздела сред (твердыми поверхностями электродов, диэлектриков, других частиц) - контактная зарядка, так и при движении частиц в дисперсионной среде - дрейфовая зарядкаЗарядка. частиц обычно связана с одновременным действием нескольких механизмов электризации, что существенно усложняет расчетные задачи. Сложность обусловлена также и тем, что условия зарядки при поддержании на постоянном уровне всех параметров процесса (электрических, гидродинамических, тепловых) для разных частиц, участвующих в одном и том же процессе, различны. Эти различия довольно значительны и наиболее существенны при контактной зарядке. При соударении частицы о твердую поверхность сильно сказывается присутствие элемента случайности (в расположении выступов шероховатости, наличия оксидных и других пленок на контактирующих поверхностях [15], времени удара и т.д.). Флуктуации концентрации ионов и других величин, определяющих интенсивность дрей(рЗнодвцрядиияо^)мднаиеяЕИЖ5РщессгжежншЕ[ё^нии за счет электростатической индукции на контактирующей с электродом частице заряда его знака [17]. По истечении большого промежутка времени с момента контакта частицы любой природы с электродом ее заряд в постоянном электрическом поле возрастает до насыщения. Процесс релаксации индукционного заряда зависит от удельной проводимости и диэлектрической проницаемости материала частиц, сольватных оболочек и электродов. При расчете индукционного заряда частицы полуэллиптической формы, ориентированные полуосью а вдоль однородного поля напряженностью Е и контактирующей с плоской поверхностью отрицательно-
го электрода бесконечной проводимости, в работе [18] учтены электрические параметры дисперсионной среды и частицы. Это позволило получить в квазистационарном приближении зависимости, описывающие кинетику зарядки,
lq; (1.1)
т
т
aTda+a{\-da)
?олЬсЕ; (1.2)
?xbcE; (1.3)
sTda+s(\-da) s^d+su-d"
4 °Tda+°(l-da)
где q^ и q0 - предельный и начальный заряды частицы; rq -постоянная времени релаксации заряда частицы; a, b, c - полуоси эллипсоида; dа — коэффициент деполяризации. При соотношении проводимости <7<<7т частица получает заряд q^ одноименный знаку контактирующего с ней электрода. В противном случае (<т>(Тт -диэлектрические частицы) знак заряда частицы противоположный и действующая на нее кулоновская сила препятствует отрыву частицы от поверхности электрода. Это подтверждается и соотношением из [18]
(1.5)
где k — постоянный множитель, s/a и Sj/cjj — время релаксации зарядов дисперсной среды и материала частиц, S - площадь поверхности частицы. Зависимости (1.2) и (1.5) показывают, что максимальный индукци-
онный заряд qoo приобретается частицей с бесконечной проводимостью (сгт—>оо).
В то же время, двигаясь в дисперсной среде, содержащей распределенный объемный заряд, частицы заряжаются одноименно знаку объемного заряда. Интенсивность дрейфовой зарядки определяется количеством ионов, осевших на частице. К факторам, приводящим к улавливанию ионов поверхностью частицы, согласно [18], относятся ее поляризация, диффузия ионов к поверхности частицы и действие в этой области сил зеркального отображения. Условием, определяющим зарядку частицы до состояния насыщения, является перераспределение (под воздействием сил отталкивания, действующих со стороны зарядов частицы на движущиеся ионы) траекторий ионов
. частицы за
счет направленного движения ионов определяются для одиночной сферической частицы соотношениями [15,19,20]
Ъе
qS =-----T—7rsod^Eo; (1.6)
sT +2
окт
(1.7)
4s0 + акт
где k и <7 - подвижность и плотность объемного заряда ионов. Величины, характеризующие заряженную дисперсную среду (k, у), определяют только кинетику зарядки частицы и не отражаются на ее предельном заряде qS. Для проводящих частиц, заряд которых равномерно распределен по поверхности, расчетные выражения (1.6) и (1.7) с учетом 3sT/(sT+2) были получены М.М. Потенье [21]. Равномерное распределение заряда на поверхности диэлектрических частиц происходит из-за их вращения в движущемся потоке, в том числе и под действием моментов
электрических сил, действующих со стороны внешнего поля на их неравномерно заряженную поверхность.
1.1.3. Взаимодействие магнитных жидкостей с магнитным полем
В классической, «доферромагнитной» гидродинамике, известен один механизм силового воздействия на жидкость с помощью магнитного поля - это взаимодействие поля и протекающего по жидкости электрического тока. Большинство магнитных жидкостей относятся к слабопроводящим средам. Механизм воздействия магнитного поля на жидкость в этом случае связан только с ее
поля с намагниченной жидкостью можно отнести к квазистационарному, когда время установления намагниченности намного меньше любого макроскопического времени [23-26]. Это условие позволяет считать параллельными векторы намагниченности М и напряженности поля
Н в любойМагнитные момент свойствавремени. суспензий определяются как состоянием твердых частиц, так и степенью их упорядоченности. В ферромагнитных коллоидах элементарными носителями магнитного момента являются частицы ферромагнетика. Природа их намагничивания является ферромагнитной, а малые размеры («10~8м) обеспечивают их однодоменность [26,27]. Но разбавление этих частиц в коллоиде при умеренных концентрациях настолько ослабляет их магнитное взаимодействие друг с другом, что их можно рассматривать невзаимодействующими броуновскими частицами, участвующими в хаотичном тепловом движении с энергией kT. В результате коллоидный раствор магнетита в керосине представляют [28] как разреженный газ и для его описания используют теорию намагничивания парамагнитного газа [24,25]. Эта теория приводит к закону намагничивания, описываемому функцией Ланжевена
М=пт(сЩ- УХ (1.8)
где Е, = цотН /kT - ланжевеновский аргумент, n — концентрация частиц дисперсной фазы, m — магнитный момент частицы, Н - напряженность магнитного поля, ц0 - магнитная проницаемость вакуума.
Ввиду большой величины момента m отдельных частиц такие коллоиды [23] определяют как суперпарамагнетики. Нелинейные эффекты в них проявляются довольно рано: значение ?,«1 достигается при комнатной температуре уже в полях Н«102 Э. Асимптотики функции Ланжевена достаточно точно описывают начальный участок кривой
намагничивания nm2
{\М Н Хо=—- (1.9)
ЪкТ
и приближение к насыщению [25]
пкТ ( кТ Л
^ M\\(1.10)
( \\
Я ^ <и0МН)
Из выражения (1.10) следует, что M&Ms при <^=10. Для частиц с магнитным моментом /w«10~ Дж/Тл и комнатных температурах это соответствует напряженности магнитного поля Я«105 А/м. Кривые намагничивания реальных магнитных жидкостей отличаются от ланжевенов-ской [23,24]. Причина этого отличия кроется сразу в нескольких факторах, из них основные - полидисперсность частиц в реальной жидкости и взаимное влияние локальных полей частиц в концентрированных жидкостях. В [23] исследование кривой намагничивания с учетом функции распределения частиц по размерам показало, что в умеренно концентрированных (ф ~ 0,05) магнитных жидкостях для объяснения отличий кривой намагничивания от ланжевеновской недостаточно отталкиваться от предположения о полидисперсности. При малых значениях Н (?, « 1) существенную роль играют локальные поля частиц, усиливающие |
