Реферат
Коливальний рух тіл, зважених у магнітних колоїдних наносистемах
У випадку, коли плаває в рідині тіло занурене в неї частково, його рівновагу здійснюється за рахунок рівності сил ваги і Архімедова сили, що діє на занурену частину тіла. Вплив додаткової зовнішньої сили, сонаправленной з силою тяжіння призводить до додаткового занурення тіла. Після ж припинення її дії тіло повертається до стану рівноваги за рахунок виштовхувальної сили, при цьому, воно може здійснювати коливальний рух, тривалість якого визначається добротністю системи. Метою цієї роботи є дослідження подібного роду коливального руху, скоєного тілом, частково зануреним у середу, здатну намагнічуватися при дії магнітного поля. У цьому випадку, можливо використання періодично діючої виштовхувальної сили, створюваної магнітним полем.
Магнітні колоїдні наносистеми (магнітні рідини) мають ряд цікавих властивостей, обумовлених унікальним поєднанням їх плинності і здібності намагнічування в магнітному полі [1]. Одним з таких властивостей є виштовхування немагнітного тіла, зануреного в магнітну рідину в область більш слабкого магнітного поля. У разі використання періодично змінюється магнітного поля, сила, що діє на таке тіло, стає змінною. Для проведення експериментальних досліджень використовувалася установка, загальна схема якої наведена на малюнку 1.
Рис.1. Експериментальна установка.
1 - електродвигун з редуктором;
2 - котушка;
3, 4 - джерела струму;
5 - амперметр;
6 - скляна колба;
7 - освітлювач тіньової проекції;
8 - екран з міліметровою папером.
Рис.2 Схема установки Рис.3 Скляний плавок
1 - електродвигун з редуктором;
2 - котушка;
3, 4 - джерела струму;
5 - амперметр;
6 - скляна колба;
7 - немагнітні тіло (скляний поплавець, рис.3);
8 - мж;
В якості об'єкта дослідження використовувалося тіло (мал.3), що представляє собою скляну ампулу, частково заповнену свинцевим дробом з продовженням у вигляді циліндричної трубки. При певній кількості дробинок такий поплавець встановлювався вертикально в рідині, так що його кінець у вигляді циліндричної трубки знаходився над її поверхнею. Магнітний наноколлоід був налитий у циліндричну кювету 6 (Рис.1), що встановлювалася на намагничивающей устрій 2. Як намагнічує пристрою використовувалася котушка з малою висотою і феромагнітним сердечником зі магнитомягких заліза. Оцінка амплітуди коливань проводилася з тіньової проекції кінця поплавця на екрані 8 з міліметровою сіткою. Для створення періодично впливає поля було сконструйовано пристрій 1, періодично подає напругу прямокутної форми на намагничивающей систему.
Рис.4 Двигун з редуктором
1 - електродвигун з редуктором;
2 - диск, одна сторона якого замикає ланцюг, пов'язану з котушкою, інша розмикає її;
3 - щітки.
При дії магнітного поля, поплавець відчував додаткову Виштовхуючу силу за рахунок взаємодії поля з магнітною рідиною. Її поява може бути пояснено таким чином. Дія магнітного поля призводить до намагнічування рідкого середовища, а в разі розриву її помилки (наприклад, знаходження в ній немагнітних тіл) на межах поділу виникають магнітні полюси. Немагнітні тіла при цьому можуть бути уподібнені "магнітним дірок", які мають магнітний момент, спрямований протилежно полю. Якщо тіло має анізотропну форму, то воно встановлюється великою віссю вздовж поля (що призводило до більшої стійкості дослідженого нами об'єкта), у випадку ж неоднорідного поля на тіло впливає сила, яка прагне виштовхнути його в область більш слабкого поля. Величина цієї сили визначається виразом:
де - Магнітний момент магнітної дірки.
Величина , Може бути представлена у вигляді
,
де магнітна сприйнятливість магнітної рідини,
- Розмагнічувальних фактор тіла,
- Його об'єм. З урахуванням цього, для
справедливий вираз:
Періодичне вплив такої сили призводить до виникнення вимушених коливань зануреного в рідину тіла, що й спостерігалося при проведенні експерименту. Створення періодично діючої сили здійснювалося за рахунок подачі на намагничивающей систему однополярних прямокутних імпульсів напруги зі скважностью, рівної тривалості імпульсу. Для створення таких імпульсів використовувався двигун 1 (Рис.4) з регульованою частотою обертання, на осі якого закріплювався диск 2, половина поверхні якого була провідною, друга - ізольована діелектричної плівкою (рис. 4). До диску притиснуті графітові щітки 3, які в разі знаходження їх на провідному секторі замикали ланцюг живлення електромагніту, і розмикали її, опинившись внаслідок обертання диска на його непроводящем секторі. Такий пристрій дозволяло отримувати імпульси струму в намагничивающей системі до 1 А. Частота проходження імпульсів змінювалася за рахунок регулювання швидкості обертання валу двигуна шляхом зміни, що подається на нього напруги від автономного джерела живлення (4).
Виявилося, що амплітуда коливань зануреного в магнітний наноколлоід об'єкта дослідження, що виникають внаслідок періодично чинного магнітного поля, залежить від частоти впливає сили (частоти змінного магнітного поля). Первісне збільшення частоти приводить до збільшення амплітуди, а за певного значення частоти допустимої сили залежність амплітуди від частоти має максимум, характерний для резонансних явищ. Було встановлено, що при більш високому значенні змінної сили максимум більш виражений, крім того, його крутість залежить від в'язкості рідини і параметрів коливного тіла. На рис.5 показані графіки залежностей амплітуди коливань ампули від частоти поля при різних значеннях величини імпульсу струму в намагничивающей системі.
Очевидно, що спостерігається явище збільшення амплітуди коливань є наслідком збігу частоти власних коливань частково зануреного в рідину тіла з частотою періодично змінюється зовнішньої сили. Для перевірки цього оцінимо частоту власних коливань використовуваного об'єкта досліджень. З цією метою проведемо аналогію між його коливаннями і коливаннями пружинного маятника. Як відомо, коливання маятника здійснюються завдяки наявності сили, що повертає тіло до положення його рівноваги. У разі пружинного маятника такою силою є сила пружності , А частота його власних коливань дорівнює
. У нашому випадку роль сили, що повертає тіло в рівноважний стан, є виштовхуюча сила, яка повертає тіло в положення рівноваги. Неважко показати, що вираз для цієї сили запишеться у вигляді
, Де
- Площа перерізу зануреного циліндра,
- Зміщення тіла від положення рівноваги. Порівнюючи вираз для цієї сили з силою пружності, можна визначити вираз для
, Тобто,
. Тоді
. Останній вираз дозволяє розрахувати частоту власних коливань ампули (у припущенні малості сил опору). Її значення можна визначити також експериментально, змістивши тіло від положення рівноваги (зануривши додатково на деяку відстань) і, потім, надавши йому деякий час перебувати в коливальному русі. Проведені експерименти і розрахунки показали, що власна частота коливань досліджуваного тіла близька до резонансної частоти, в разі його вимушених коливань.
Проведені дослідження дозволили зробити висновок про можливість застосування дослідженого явища на практиці. Зокрема, виникла ідея використання магнітного наноколлоіда із введеним до нього немагнітним наповнювачем (шліфувальним порошком) для шліфування поверхонь деталей. У цьому випадку деталь закріплюється в кюветі з намагничивающей рідиною так, що призначена для шліфування площину деталі утворює деякий гострий кут до горизонталі. Попередньо в магнітному наноколлоіде розмішується шліфувальний порошок (діамантові й корундові немагнітні частки). Кювету розташовують у змінному неоднорідному магнітному полі, спрямованому вздовж вертикалі. У результаті впливу поля немагнітні частки виштовхуються з області більш сильного поля і притискаються до поверхні. У разі періодичного впливу поля вони роблять коливальні рухи, шліфуючи поверхню. Попередньо пророблені експерименти дозволяють укласти про можливість розробки такого способу шліфування.
Таким чином, у цій роботі досліджено особливості коливального руху поміщених в магнітний наноколлоід немагнітних тіл при впливі неоднорідного, періодично змінюється магнітного поля, виявлено і досліджено явище резонансу при таких коливаннях. На основі аналізу проведених досліджень і результатів попередніх дослідів показана можливість розробки нового способу шліфування деталей.
Література
Блум Е.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнітні рідини.
Гомулина М.М. Комп'ютерні навчальні та демонстраційні програми. / / «Фізика», 1999, № 12.
Підвищення ефективності наочності при використанні динамічних комп'ютерних моделей / / Теоретичні проблеми фізичної освіти. - С.-Петербург: Освіта, 1996. - 87 с.
Стариченко Б.Є. Комп'ютерні технології в освіті. Інструментальні системи педагогічного призначення.
Теорія і методика навчання фізики в школі. Приватні питання. Під ред. С.Є. Каменецького. / / М.: Академія, 2000.
Хуторський А.В. Розвиток обдарованості школярем: Методика продуктивного навчання. - М., 2000. - С. 66.
Теорія і методика навчання фізики в школі. Загальні питання. Під ред. С.Є. Кам'янецького, Н.С. Пуришева. / / М.: Академія, 2000.