Анізотропія провідності магнітної рідини в магнітному полі

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Доповідь на тему: Анізотропія провідності магнітної рідини в магнітному полі.
Робота присвячена дослідженню електропровідності високодисперсних колоїдів феромагнетиків (магнітних рідин), до теперішнього часу залишаються об'єктом, що привертає увагу дослідників. Інтерес до магнітних рідин пояснюється не лише можливістю їх практичного застосування, а й виникненням цілого ряду фізичних проблем, що стосуються таких середовищ.
Дослідження електричних властивостей колоїдних систем, проведені Духіни С.С., Дерягиним Б.В., Шиловим В.М. показали, що дані характеристики несуть інформацію про процеси, що протікають в стабілізуючих оболонках, про розмір і форму частинок, процесах структурування. У зв'язку з цим, одним з найважливіших макроскопічних параметрів, що визначає можливість переміщення електричних зарядів, виділяють електропровідність системи.
У той же час, питання однозначного уявлення про механізм електропровідності магнітної рідини залишається відкритим. Не ясним є і питання виникнення анізотропії електропровідності магнітної рідини при впливі на неї однорідного й неоднорідного магнітного поля.
Поряд з дослідженням поведінки магнітної рідини в магнітному полі, інтерес представляє вивчення поведінки в електричному і магнітному полях композиційних середовищ - магнітних рідин з немагнітним наповнювачем.
Тому метою даного виступу є представлення результатів дослідження впливу неоднорідного магнітного поля на електропровідність магнітної рідини, а також результатів дослідження анізотропії електричної провідності магнітної рідини з немагнітним наповнювачем у магнітному полі.
Магнітні рідини - ультрадисперсні колоїди феро-і феримагнетики при впливі на них однорідного магнітного поля набувають анізотропію макроскопічних властивостей. Очевидно, її поява слід пов'язувати з орієнтаційним упорядкуванням і взаємодією дисперсних частинок. Одним з найбільш яскравих проявів такого впорядкування є виявлені особливості оптичних властивостей магнітних рідин в магнітному полі - анізотропне світлорозсіювання та подвійне променезаломлення. Разом з тим очікуваного суттєвого впливу однорідного магнітного поля на електричні властивості магнітних рідин до теперішнього часу не виявлено.
З іншого боку, в неоднорідному магнітному полі на магнітний момент частинки магнетиту діє сила, обумовлена ​​градієнтом поля, обумовлена ​​наступним виразом:
, (1)
де - Магнітний момент частинки магнетиту.
При приміщенні осередку з магнітною рідиною в неоднорідне магнітне поле, під дією сили (1) всі частинки магнетиту будуть переміщатися до одного з електродів. У результаті в області цього електрода концентрація часток магнетиту збільшиться в порівнянні з первинною, а на протилежному - зменшиться.
У припущенні, що частинки магнетиту несуть на собі заряд потенциалопределяющих іонів, на електроді з підвищеною концентрацією магнетиту буде відбуватися накопичення заряду певного знака, а в самій комірці - різниці потенціалів. Проте, як відомо міцел дисперсної фази в колоїдному розчині в цілому електронейтральна, тому частка магнетиту в магнітної рідини також повинна залишатися електронейтральної. Тобто частки магнетиту, що несуть на собі заряд потенциалопределяющих іонів будуть дрейфувати в неоднорідному магнітному полі разом з протиіонами, що знаходяться під дією електростатичних сил тяжіння з боку заряду частинки. Відповідно на електроді з підвищеною концентрацією магнетиту поряд з накопиченням заряджених частинок буде відбуватися накопичення іонів протилежного знаку. Тобто, освіти різниці потенціалів в осередку не відбудеться.
Нами проводилися дослідження поведінки магнітної рідини в неоднорідному магнітному полі.
При приміщенні кювети з магнітною рідиною на основі гасу в неоднорідне магнітне поле не спостерігалося утворення різниці потенціалів на електродах осередки. При зміні напрямку градієнта магнітного поля, показання приладів не змінювалися. Звідси можна зробити висновок, що наше припущення має місце для випадку магнітної рідини на гасі.
Незважаючи на отриманий результат в експерименті з визначення різниці потенціалів на електродах осередку з магнітною рідиною на основі гасу, прояв магнітофоретіческого руху частинок магнетиту повинно позначитися при проходженні електричного струму в комірці.
Нами досліджувалась залежність опору осередку з магнітною рідиною, вміщеній в неоднорідне магнітне поле, від величини і напряму градієнта магнітного поля при різних значеннях концентрації магнітної фази в магнітній рідині.
Досліджувалася залежність опору магнітної рідини від величини та напрямку градієнта магнітного поля, концентрація магнітної фази в якої становила . Дані залежності представлені на малюнку 1. З графіка видно, що крива залежності опору магнітної рідини від величини градієнта магнітного поля проходить через максимум. При цьому крива 1 відповідає нагоди , А крива 2 відповідає нагоди . При цьому умови і в експерименті досягалися зміною напрямку градієнта магнітного поля. Для даної концентрації відносна зміна опору осередку при різному напрямку градієнта магнітного поля досягає 4,3%. При цьому випадкова похибка в експерименті, обчислена за допомогою методу найменших квадратів складає менше 0,5%, а приладова не перевищує 0,5%.
На малюнку 2 так само представлена ​​залежність опору магнітної рідини від величини та напрямку градієнта магнітного поля при концентрації магнітної фази . При цьому крива 1 відповідає нагоди , А крива 2 відповідає нагоди . Проте умови і в експерименті досягалися зміною полярності на електродах осередки. З графіка видно, що характер кривої 2 в даному випадку істотно відрізняється від кривої 2 в експерименті графіка 1. Мабуть, що такий вид залежності пов'язаний з руйнуванням приелектродних шару підвищеної концентрації магнітної фази і об'ємного заряду поблизу електрода.
Також були проведені дослідження опору осередку з магнітною рідиною в неоднорідному магнітному полі, концентрація магнітної фази в якої становила . Виявилося, що в даному випадку залежність зміни опору осередку з магнітною рідиною від напрямку неоднорідного магнітного поля аналогічна. Однак, відносна зміна опору осередку з магнітною рідиною з об'ємною концентрацією магнетиту при різному напрямку градієнта магнітного поля становить 14,6%.
Для пояснення виникає анізотропії провідності в неоднорідному магнітному полі слід врахувати, що в неоднорідному магнітному полі частинки магнетиту, втягуються в область більшого поля. У залежності від заряду частинки магнетиту, обумовленого потенциалопределяющих іонами, внесок, внесений цим потоком в електропровідність магнітної рідини, буде або збільшувати величину переносимого заряду, або зменшувати.
Були зняті вольтамперні характеристики магнітної рідини при малих значеннях концентрації від величини та напрямку градієнта магнітного поля. На малюнку 3 представлені отримані залежності: крива 1 відповідає значенню градієнта магнітного поля , Крива 2 - . При цьому, градієнт магнітного поля і вектор напруженості електричного поля протилежні за напрямом ( ). Крива 3 відповідає зміні напрямку градієнта магнітного поля на протилежне, при тому ж його абсолютному значенні. У даному випадку . З графіка видно, що величина електричного поля не позначається на відносному зміні опору осередку при різному напрямку градієнта магнітного поля.
Використовуючи результати наведених експериментальних досліджень можна визначити види основних носіїв заряду в магнітної рідини; такими є іони домішок у дисперсійному середовищі - гасі, частинки магнетиту з адсорбованими, потенциалопределяющих іонами і протиіонами іонами, які поблизу частинок магнетиту.
Сформульовані висновки про основні носіях заряду в магнітних рідинах, дозволяють запропонувати наступний механізм електропровідності магнітного колоїду. Електрична провідність магнітної рідини, як будь-який колоїдної системи, пов'язана з двома способами переносу заряду в електричному полі: перший з них визначається іонами, що містяться в дисперсійному середовищі, міграція яких відбувається по лініях струму, що огинає частинки дисперсної фази, другий пов'язаний з міграцією іонів, що розташовуються поблизу частинки магнетиту, що несе на собі заряд потенциалопределяющих іонів, а також рухом самих заряджених частинок магнетиту. Ця складова визначає поверхневу провідність розчину.
Спираючись на уявлення про електропровідності колоїдних систем, отримано вираз для питомої провідності магнітної рідини, представлене формулою (1):
, (1)
де питома провідність дисперсійного середовища, - Структурний коефіцієнт проводить частинки, оточеної діелектричної оболонкою в дисперсійному середовищі, - Вираз, що визначає поверхневу провідність колоїдного розчину. В (1) введено позначення - Параметр, що залежить від діелектричних властивостей дисперсійного середовища ( ) І шару олеїнової кислоти ( ).
Використовуючи (1) і визначивши досвідченим шляхом питому провідність магнітної рідини, можна підрахувати значення щільності поверхневого заряду частинок магнетиту та поверхневої провідності магнітної рідини. Для обраного нами зразка магнітної рідини значення цих величин виявилися рівними відповідно і .
Як вже зазначалося, очікуваного істотного впливу однорідного магнітного поля на електропровідність магнітних рідин до теперішнього часу не виявлено. Проте становище може істотно змінитися у разі додавання в магнітну рідину дисперсного наповнювача - немагнітних частинок з досить великою електропровідністю. У даній роботі наводяться результати експериментального дослідження електропровідності магнітної рідини з немагнітним наповнювачем в однорідному магнітному полі.
При дії магнітного поля на магнітну рідину, що містить немагнітні частинки, останні можуть розглядатися як «діамагнітні» частинки, що мають магнітні моменти, спрямовані протилежно полю. Внаслідок взаємодії магнітних моментів відбувається об'єднання немагнітних частинок в цепочечниє структури. Взаємодія частинок, що належать різним ланцюжках призводить до об'єднання коротких ланцюгів в більш довгі, а при їхній високій концентрації - до бічного злипання й утворення більш великих структур. Таким чином, вплив магнітного поля на магнітну рідину з дрібнодисперсним немагнітним наповнювачем призводить до структурної анізотропії, про що свідчить поява анізотропного розсіювання світла.
Дослідження електропровідності магнітних рідин з немагнітним наповнювачем різної форми (сферичної, циліндричної) і наповнювача з високою і низькою провідністю (графітова і ебонітова пил), виявило характерну залежність її від величини та напрямку зовнішнього однорідного магнітного поля, представлену на малюнках 4, 5, 6, 7. Тут на малюнку 4 представлена ​​залежність опору магнітної рідини з немагнітним наповнювачем сферичної форми, на малюнку 5 - циліндричної форми, на малюнку 6 - наповнювача з низькою провідністю (ебонітова пил), на малюнку 7 - наповнювача з високою провідністю (графітова пил). Як видно з малюнків, опір шару таких композиційних магнітних рідин зменшується, коли напрями магнітного поля і струму збігаються, і збільшується при дії поля у випадку його напрямку перпендикулярно лініях струму (криві 1 і 2 відповідно). Різниця між значеннями виміряних таким чином опорів залежить від об'ємного вмісту немагнітних частинок, при цьому у випадку проводять (графітових) часток вона досягає більш високих значень (20%), ніж для непровідних частинок з ебоніту (10%).
У результаті проведених досліджень було встановлено, що електричний опір магнітної рідини при додаванні в неї дисперсних провідних частинок збільшується пропорційно їх об'ємному вмісту (рис.8, крива 1).
1
2
R, 10 6 Ом
Рис 8. Залежність опору шару магнітної рідини (1) і відносної різниці опорів у разі перпендикулярних і сонаправленних електричного і магнітного полів (2) від об'ємного вмісту дисперсного наповнювача.

\ S При цьому різниця між значеннями опору у разі, коли електричне і магнітне поля перпендикулярні і сонаправленни, визначається величиною об'ємного змісту немагнітних провідних включень і може досягати 20% (рис.8, крива 2).
Теоретичний розгляд електропровідності суспензії з частинками різної форми і різними діелектричними параметрами досить докладно проведено Духіни С.С. Зокрема, для суспензій з діелектричними частками у нехтуванні поверхневою провідністю, пов'язаної з подвійним електричним шаром, питома провідність визначається у вигляді:
, (2)
де   - Питома електрична провідність дисперсійного середовища, F - коефіцієнт структурного опору, що є функцією об'ємної концентрації непровідних частинок:
. (3)
У разі еліпсоїдального частинки, орієнтованої віссю i по полю,
, (4)
де А i - Фактор деполяризації еліпсоїда в напрямку осі i.
Те, що відбувається під впливом магнітного поля об'єднання зважених в магнітній рідині частинок в ланцюжки повинно приводити до зміни фактора деполяризації, і, відповідно до (2) - (4) до зміни провідності суспензії, що й спостерігається в експерименті. Проведений аналіз фотографій цепочечних структур, сформованих магнітним полем показав, що середнє значення відношення b / a при максимальної напруженості магнітного поля досягається в експериментальних дослідженнях, має значення близько 1 / 6. У цьому випадку, згідно з розрахунками за формулами (2) - (4) відносна зміна опору, виміряного вздовж і перпендикулярно магнітному полю віднесене до опору осередки у відсутності магнітного поля має становити 14%. При цьому експериментально визначені значення відносної зміни опору осередку з магнітною рідиною з немагнітним наповнювачем, при одному і тому ж об'ємному вмісті включень, мали наступні значення: для наповнювача сферичної форми 12%, для наповнювача циліндричної форми (у магнітному полі з Тл) - 6%, для ебонітового наповнювача 9%, для графітового наповнювача досягає 20%. Деякий кількісне невідповідність з експериментально отриманими результатами може бути пов'язано з осіданням окремих найбільш великих частинок і зниженням у зв'язку з цим концентрації немагнітних частинок в об'ємі зразка. Іншою причиною цього може бути полідисперсності реальних суспензій, суворий облік якої при побудові теорії скрутний.
Таким чином, проведені дослідження дозволяють зробити висновок, що введення немагнітної дисперсної фази в магнітну рідину дає можливість управляти її електричними властивостями за допомогою дії щодо малих магнітних полів. Завдяки цьому такі композиційні магнітні рідини можуть знайти застосування в галузях, що використовують матеріали з заданими керованими параметрами.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Доповідь
35.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Людина в магнітному полі
Дослідження магнітної рідини методом розсіювання світла
Особливості процесів зарядостворення в шарі магнітної рідини
До механізму електропровідності магнітної рідини з графітовим наповнювачем
Дослідження капілярного под ма магнітної рідини при дії неоднорідного магнітного поля
Світ у магнітному кільці
Перганатометричне визначення заліза в магнітному залізняку
Порушення провідності серця
Температурна залежність провідності напівпровідника
© Усі права захищені
написати до нас