Федеральне агентство з освіти і науки
Ставропольський державний університет
Кафедра загальної фізики
Курсова робота
на тему:
«Вивчення особливостей електричних властивостей магнітних рідин»
Зміст.
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
Глава 1 «Теорія електричної провідності і методика її виміру» ....................................... ........................................ ... ... ... ... ... ... ... .6
1.1 Поняття електричної провідності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6
1.2 Облік можливих похибок при проведенні вимірювань електричної провідності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .8
1.3 Особливості вимірювання електричної провідності ... ... ... ... ... .. 11
1.4 Теорія питомої об'ємної провідності стосовно магнітним рідинам ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 12
Глава 2 «Теорія діелектричної проникності та методика її виміру» ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
2.1 Історична довідка та поняття діелектричної проникності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
2.2 Залежність діелектричної проникності від різних фізичних величин ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
2.3 Метод вимірювання діелектричної проникності ... ... ... ... ... ... ... 21
2.4 Діелектричні характеристики магнітних рідин ... ... ... ... .. 22
Глава 3 «Експериментальні дослідження електричної провідності та діелектричної проникності магнітної рідини» ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 25
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Введення.
Магнітні рідини, синтезовані в середині 20-го століття на стику наук колоїдної хімії, фізики магнітних явищ і гідродинаміки, відносяться до магнітокерованих матеріалами і отримали широке практичне застосування в машинобудуванні, медицині, інших галузях промисловості. Магнітні рідини мають унікальні магнітними властивостями: гарну плинність і намагніченістю. Важливою особливістю феромагнітних колоїдів, на відміну від більшості відомих магнітних систем, є свобода поступального руху магнітних частинок, яка може бути причиною структурних перетворень, пов'язаних з одночасною зміною характеру магнітного впорядкування та просторового розташування частинок у шарі рідини. Спостережувані в магнітній рідині магнітомеханічне, магнітооптичні та електрофізичні явища багато в чому визначаються властивостями малих частинок, їх взаємодією у зовнішніх полях і структурним станом системи. Зв'язок макроскопічних властивостей речовини з його мікроскопічними характеристиками є одним з основних питань фізики рідких дисперсних систем.
Щодо процесів, що визначають електричні властивості магнітних рідин на сьогоднішній день немає єдиної думки; основою мж як правило є полярні або неполярні діелектрики з провідністю порядку
Для оцінки впливу структури досліджуваних систем на електрофізичні характеристики розглядаються електропровідність і діелектрична проникність мж.
Діелектрична проникність. На діелектричну проникність магнітних рідин впливають стабілізуючі властивості і розмір захисних оболонок, розмір і матеріал частинок, концентрація домішок.
Існує велика кількість виразів для розрахунку діелектричної проникності гетерогенних систем як для статистичних сумішей, так і для матричних систем [49, 65]. Мж в залежності від концентрації дисперсної фази і величини магнітного поля, можна розглядати як статистичну суміш - при малих концентраціях і без магнітного поля, як матричну систему - при накладенні магнітного поля.
Для магнітних рідин спостерігається дисперсія діелектричної проникності. При цьому виявляється залежність її від напруженості магнітного поля. Причому для мж, відрізняються щодо компонентного складу і стійкості, характер цієї залежності різний. Відзначено, що найбільш яскраво він проявляється для мж з меншою стійкістю і в'язкістю. Зі збільшенням напруженості магнітного поля діелектрична проникність збільшується (рис.1.1) [33]. Опис даного процесу спирається на модель, в якій розглядаються процеси поляризації за рахунок переміщення іонів всередині стабілізуючою оболонки [29]. Це можливо при стабілізації дисперсії в результаті використання електоростеріческого механізму.
Електропровідність магнітної рідини. Електропровідність магнітної рідини обумовлена декількома механізмами: об'ємної та поверхневої провідністю домішкових носіїв зарядів, міграцією міцел.
Комплексне дослідження електричних характеристик дозволяє уточнити механізм зміни структури дисперсних систем при впливі на них зовнішніх електричного і магнітного полів.
Як вже зазначалося, магнітні рідини є дисперсні системи. Механізм електропровідності дисперсних систем визначається матеріалом часток, природою стабілізуючого шару і властивостями дисперсійного середовища [30, 32]. Теорії електричних процесів таких систем найбільш повно викладені в роботах Духіни С.С., Шилова В.М., Дерягина Б.Ф. [30, 32, 84, 31]. Стосовно до магнітних рідин дисперсна система складається з частинок магнетиту, покритих міцної ізоляційної оболонкою, в слабкому електроліті, тобто в рідкому неполярних діелектриків з домішкових іонами і полярними молекулами. Концентрація домішкових носіїв залежить від технології отримання МЗ та якості відмивання дисперсного магнетиту.
Глава 1.
Теорія електричної провідності і методика її вимірювання.
1.1 Поняття електричної провідності.
Всі провідники, що існують у природі, в залежності від механізму перенесення електрики при проходженні через них електричного струму можна розділити на три класи: електронні, іонні та змішані.
До класу електронних провідників, в яких переносниками електричних зарядів є електрони, відносяться метали, напівпровідники, більшість металевих сплавів, вуглець і деякі тверді солі й окисли.
В клас іонних провідників входять гази і електроліти, в яких переносниками електричних зарядів є іони і проходження струму супроводжується перенесенням речовини.
Ізоляційні властивості матеріалів характеризуються електричним опором і пробивним напругою. Електричний опір рідини визначає силу струму, що проходить по ній при заданій напрузі. Величина, зворотна опору, називається об'ємною електричну провідність.
Клас змішаних провідників складається з речовин, що володіють частково електронної та частково іонною провідністю. До них відносяться, наприклад, розчини лужних та лужноземельних металів в рідкому аміаку, деякі рідкі сплави і солі, характер провідності яких змінюється в певному інтервалі температур, і інші речовини.
Область виміру електропровідності електролітів як одна з областей електрохімічних вимірювань охоплює класи іонних і змішаних провідників. До них відносяться такі типи речовин:
1) чисті речовини в твердому стані, в рідкому стані, розплавлені солі і гідриди;
2) розчини одного або кількох речовин у твердому стані, в розплаві, колоїдні та істинні рідкі водні та неводні розчини в неорганічних і органічних розчинниках: окислів, солей кислот, підстав і деяких елементарних речовин.
Вимірювальні методи класифікуються по великій кількості характеристик, зокрема за родом контакту, за типом вихідного сигналу, за характером напруги, що застосовується для вимірювання.
У даному експерименті використовувався контактний метод вимірювання, який характеризується тим, що в процесі вимірювання досліджувана магнітна рідина знаходиться в прямому гальванічному контакті з електродами вимірювальної комірки. Однак, хоча вони і дають змогу виробляти точні вимірювання, але не вільні від похибок, обумовлених зокрема, в більшій або в меншій мірі поляризаційними явищами на електродах. Навіть використання мостового методу змінного струму, який має високу точність вимірювань і дає можливість отримувати безпосередній відлік вимірюваної величини, при вимірюванні концентрованих розчинів з'являється похибка через наявність поляризаційних явищ.
Ці поляризаційні явища при змінному струмі виражені в сотні разів слабкіше, ніж при постійному струмі (цим і обумовлено використання змінного струму в експерименті), і залежать від частоти і концентрації розчину, а також значною мірою від матеріалу електрода та стану його поверхні. Незважаючи на малу величину поляризації, при вимірах електропровідності вона може внести похибку у вимірювану величину.
1.2. Облік можливих похибок при проведенні вимірювань електричної провідності.
Вивченню поляризації розчинів електролітів змінним струмом присвячено багато експериментальних і теоретичних робіт. З їх результатів можна зробити висновки:
1) при проходженні змінного струму через розчин в окремих його точках відбуваються періодичні зміни концентрації;
2) частота цих періодичних змін пропорційна частоті змінного струму;
3) амплітуда періодичних змін концентрації зменшується в міру віддалення від поверхні електрода, причому таке зменшення відбувається швидше зі збільшенням частоти і зі зменшенням коефіцієнта дифузії потенциалопределяющих іонів.
Величина поляризаційного опору, а отже, і величина похибки, що вноситься в вимірюваний опір або електричну провідність, залежать від великої кількості різних параметрів системи: матеріал електрода, склад і концентрація розчину, частота та інше. У деяких випадках похибка від поляризаційного опору досягає 20%.
Найменша похибка спостерігається при вимірі з платини платинована електродами, яка при частоті 3000 Гц дорівнює похибки вимірювання, і отже, цією величиною можна знехтувати. Теорія явищ, що відбуваються на поверхні електрода при проходженні змінного струму, і зв'язок цих явищ із властивостями активної поверхні і величиною поляризаційного опору ще не розроблена. На підставі експериментальних даних можна припускати, що величина поляризаційного опору пов'язана з будовою кристалічної решітки матеріалу електрода, адсорбційними властивостями його активної поверхні.
Стан поверхні електрода в значній мірі впливає на величину імпедансу. Для електродів, виготовлених з двох різних матеріалів, розвиток істинної поверхні призводить до зменшення поляризаційних явищ. Це пояснюється тим, що при збільшенні істинної поверхні електрода знижується відповідно дійсна густина струму поляризації і, отже, поляризаційний ефект.
Що стосується частоти змінного струму, то багатьма дослідниками було показано, що для оборотних електродів з різних матеріалів у водних розчинах різних концентрацій залежність величини поляризаційного опору R S від частоти виражається формулою:
де
Вище вже зазначалося, що похибка, створювану поляризаційним опором, при вимірах електропровідності можна значно зменшити, застосовуючи платинові електроди, покриті платинову черню. Цей ефект вперше виявлений Кольраушем, який рекомендував проводити осадження платинової черні електролізом з розчину хлороплатинату з додаванням слідів ацетату свинцю.
Таким чином, на підставі викладеного вище, першим способом зменшення або виключення похибки ΔR S є застосування платинування. При цьому необхідно враховувати, що платинована електроди можливо застосовувати тільки в тих випадках, коли вимірюють електропровідність нейтральних і слабо розлучених розчинів, що мають концентрацію вище 0.01 н., Якщо відсутня небезпека, що платинова чернь буде каталізатором небажаної хімічної реакції в розчині.
Отже, коли є умови для застосування платинована електродів, то при відповідному виборі ступеня платинування і частоти похибка, створювану поляризаційним опором, можна зменшити до такої величини, що навіть при вимірах, вироблених з найвищою точністю, немає необхідності вводити поправку до результатів вимірювання на поляризаційне опір.
Однак, крім похибок, які створюються за рахунок поляризаційного ефекту, необхідно враховувати похибки від теплового ефекту при протіканні струму через осередок і похибка від паразитних струмів. Для усунення даних видів похибок необхідно прагнути до зменшення напруги, прикладеної до осередку від джерела, яке збільшує парниковий ефект, також слід гранично скоротити тривалість часу окремого вимірювання, потрібно збільшити константу комірки А, що досягається збільшенням відстані між електродами і зменшенням поперечного перерізу посудини. Збільшення обсягу судини осередку призводить до зменшення похибки вимірювання, так як для нагрівання великого обсягу електроліту потрібен тривалий час.
1.3 Особливості вимірювання електричної провідності.
У даному експериментальному дослідженні вимірювалася електрична провідність магнітної рідини в залежності від концентрації твердої фази. Для цього використовувалася двохелектродні осередку, одна з яких має електроди з гладкою платини, а інша з міді.
Для обчислення електропровідності магнітної рідини необхідно знати константу комірки А (м -1), яку неможливо визначити прямим вимірюванням довжини судини і площі його поперечного перерізу внаслідок:
а) розсіювання силових ліній струму, які не обмежуються стовпчиком магнітної рідини, що знаходиться точно між електродами;
б) неможливості витримати точно паралельне розташування електродів і строго певну їх форму;
в) складної форми скляної посудини, що обмежує поширення силових ліній струму.
На практиці прийнято [Лопатин] для визначення константи осередки А застосовувати стандартні водні розчини хлористого калію, величина електропровідності яких при різних температурах відома з великою точністю. Після вимірювання опору осередку, заповненої розчином хлористого калію з відомою величиною σ, з твору А = σR легко обчислюється константа комірки А.
Для обчислень стандартної величини електропровідності нормальних розчинів хлористого калію при температурах до 50 ˚ С задовільні результати дає формула:
де с - константа, залежність якої від концентрації розчину хлористого калію наведена нижче:
KCl ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 0.01 0.1 0.5
C × 10 Квітня ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 232 228 218
При визначенні константи осередку з застосуванням стандартних розчинів KCl, концентрація яких нижче 0.1 н., Необхідно робити поправку на електропровідність води, яка при 25 ˚ С повинна мати величину, близьку до 1.1 × 10 -6 сим × см -1.
1.4 Теорія питомої об'ємної провідності стосовно магнітної рідини.
Ставропольський державний університет
Кафедра загальної фізики
Курсова робота
на тему:
«Вивчення особливостей електричних властивостей магнітних рідин»
Зміст.
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
Глава 1 «Теорія електричної провідності і методика її виміру» ....................................... ........................................ ... ... ... ... ... ... ... .6
1.1 Поняття електричної провідності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6
1.2 Облік можливих похибок при проведенні вимірювань електричної провідності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .8
1.3 Особливості вимірювання електричної провідності ... ... ... ... ... .. 11
1.4 Теорія питомої об'ємної провідності стосовно магнітним рідинам ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 12
Глава 2 «Теорія діелектричної проникності та методика її виміру» ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
2.1 Історична довідка та поняття діелектричної проникності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
2.2 Залежність діелектричної проникності від різних фізичних величин ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
2.3 Метод вимірювання діелектричної проникності ... ... ... ... ... ... ... 21
2.4 Діелектричні характеристики магнітних рідин ... ... ... ... .. 22
Глава 3 «Експериментальні дослідження електричної провідності та діелектричної проникності магнітної рідини» ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 25
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Введення.
Магнітні рідини, синтезовані в середині 20-го століття на стику наук колоїдної хімії, фізики магнітних явищ і гідродинаміки, відносяться до магнітокерованих матеріалами і отримали широке практичне застосування в машинобудуванні, медицині, інших галузях промисловості. Магнітні рідини мають унікальні магнітними властивостями: гарну плинність і намагніченістю. Важливою особливістю феромагнітних колоїдів, на відміну від більшості відомих магнітних систем, є свобода поступального руху магнітних частинок, яка може бути причиною структурних перетворень, пов'язаних з одночасною зміною характеру магнітного впорядкування та просторового розташування частинок у шарі рідини. Спостережувані в магнітній рідині магнітомеханічне, магнітооптичні та електрофізичні явища багато в чому визначаються властивостями малих частинок, їх взаємодією у зовнішніх полях і структурним станом системи. Зв'язок макроскопічних властивостей речовини з його мікроскопічними характеристиками є одним з основних питань фізики рідких дисперсних систем.
Щодо процесів, що визначають електричні властивості магнітних рідин на сьогоднішній день немає єдиної думки; основою мж як правило є полярні або неполярні діелектрики з провідністю порядку
Для оцінки впливу структури досліджуваних систем на електрофізичні характеристики розглядаються електропровідність і діелектрична проникність мж.
Діелектрична проникність. На діелектричну проникність магнітних рідин впливають стабілізуючі властивості і розмір захисних оболонок, розмір і матеріал частинок, концентрація домішок.
Існує велика кількість виразів для розрахунку діелектричної проникності гетерогенних систем як для статистичних сумішей, так і для матричних систем [49, 65]. Мж в залежності від концентрації дисперсної фази і величини магнітного поля, можна розглядати як статистичну суміш - при малих концентраціях і без магнітного поля, як матричну систему - при накладенні магнітного поля.
Для магнітних рідин спостерігається дисперсія діелектричної проникності. При цьому виявляється залежність її від напруженості магнітного поля. Причому для мж, відрізняються щодо компонентного складу і стійкості, характер цієї залежності різний. Відзначено, що найбільш яскраво він проявляється для мж з меншою стійкістю і в'язкістю. Зі збільшенням напруженості магнітного поля діелектрична проникність збільшується (рис.1.1) [33]. Опис даного процесу спирається на модель, в якій розглядаються процеси поляризації за рахунок переміщення іонів всередині стабілізуючою оболонки [29]. Це можливо при стабілізації дисперсії в результаті використання електоростеріческого механізму.
Електропровідність магнітної рідини. Електропровідність магнітної рідини обумовлена декількома механізмами: об'ємної та поверхневої провідністю домішкових носіїв зарядів, міграцією міцел.
Комплексне дослідження електричних характеристик дозволяє уточнити механізм зміни структури дисперсних систем при впливі на них зовнішніх електричного і магнітного полів.
Як вже зазначалося, магнітні рідини є дисперсні системи. Механізм електропровідності дисперсних систем визначається матеріалом часток, природою стабілізуючого шару і властивостями дисперсійного середовища [30, 32]. Теорії електричних процесів таких систем найбільш повно викладені в роботах Духіни С.С., Шилова В.М., Дерягина Б.Ф. [30, 32, 84, 31]. Стосовно до магнітних рідин дисперсна система складається з частинок магнетиту, покритих міцної ізоляційної оболонкою, в слабкому електроліті, тобто в рідкому неполярних діелектриків з домішкових іонами і полярними молекулами. Концентрація домішкових носіїв залежить від технології отримання МЗ та якості відмивання дисперсного магнетиту.
Глава 1.
Теорія електричної провідності і методика її вимірювання.
1.1 Поняття електричної провідності.
Всі провідники, що існують у природі, в залежності від механізму перенесення електрики при проходженні через них електричного струму можна розділити на три класи: електронні, іонні та змішані.
До класу електронних провідників, в яких переносниками електричних зарядів є електрони, відносяться метали, напівпровідники, більшість металевих сплавів, вуглець і деякі тверді солі й окисли.
В клас іонних провідників входять гази і електроліти, в яких переносниками електричних зарядів є іони і проходження струму супроводжується перенесенням речовини.
Ізоляційні властивості матеріалів характеризуються електричним опором і пробивним напругою. Електричний опір рідини визначає силу струму, що проходить по ній при заданій напрузі. Величина, зворотна опору, називається об'ємною електричну провідність.
Клас змішаних провідників складається з речовин, що володіють частково електронної та частково іонною провідністю. До них відносяться, наприклад, розчини лужних та лужноземельних металів в рідкому аміаку, деякі рідкі сплави і солі, характер провідності яких змінюється в певному інтервалі температур, і інші речовини.
Область виміру електропровідності електролітів як одна з областей електрохімічних вимірювань охоплює класи іонних і змішаних провідників. До них відносяться такі типи речовин:
1) чисті речовини в твердому стані, в рідкому стані, розплавлені солі і гідриди;
2) розчини одного або кількох речовин у твердому стані, в розплаві, колоїдні та істинні рідкі водні та неводні розчини в неорганічних і органічних розчинниках: окислів, солей кислот, підстав і деяких елементарних речовин.
Вимірювальні методи класифікуються по великій кількості характеристик, зокрема за родом контакту, за типом вихідного сигналу, за характером напруги, що застосовується для вимірювання.
У даному експерименті використовувався контактний метод вимірювання, який характеризується тим, що в процесі вимірювання досліджувана магнітна рідина знаходиться в прямому гальванічному контакті з електродами вимірювальної комірки. Однак, хоча вони і дають змогу виробляти точні вимірювання, але не вільні від похибок, обумовлених зокрема, в більшій або в меншій мірі поляризаційними явищами на електродах. Навіть використання мостового методу змінного струму, який має високу точність вимірювань і дає можливість отримувати безпосередній відлік вимірюваної величини, при вимірюванні концентрованих розчинів з'являється похибка через наявність поляризаційних явищ.
Ці поляризаційні явища при змінному струмі виражені в сотні разів слабкіше, ніж при постійному струмі (цим і обумовлено використання змінного струму в експерименті), і залежать від частоти і концентрації розчину, а також значною мірою від матеріалу електрода та стану його поверхні. Незважаючи на малу величину поляризації, при вимірах електропровідності вона може внести похибку у вимірювану величину.
1.2. Облік можливих похибок при проведенні вимірювань електричної провідності.
Вивченню поляризації розчинів електролітів змінним струмом присвячено багато експериментальних і теоретичних робіт. З їх результатів можна зробити висновки:
1) при проходженні змінного струму через розчин в окремих його точках відбуваються періодичні зміни концентрації;
2) частота цих періодичних змін пропорційна частоті змінного струму;
3) амплітуда періодичних змін концентрації зменшується в міру віддалення від поверхні електрода, причому таке зменшення відбувається швидше зі збільшенням частоти і зі зменшенням коефіцієнта дифузії потенциалопределяющих іонів.
Величина поляризаційного опору, а отже, і величина похибки, що вноситься в вимірюваний опір або електричну провідність, залежать від великої кількості різних параметрів системи: матеріал електрода, склад і концентрація розчину, частота та інше. У деяких випадках похибка від поляризаційного опору досягає 20%.
Найменша похибка спостерігається при вимірі з платини платинована електродами, яка при частоті 3000 Гц дорівнює похибки вимірювання, і отже, цією величиною можна знехтувати. Теорія явищ, що відбуваються на поверхні електрода при проходженні змінного струму, і зв'язок цих явищ із властивостями активної поверхні і величиною поляризаційного опору ще не розроблена. На підставі експериментальних даних можна припускати, що величина поляризаційного опору пов'язана з будовою кристалічної решітки матеріалу електрода, адсорбційними властивостями його активної поверхні.
Стан поверхні електрода в значній мірі впливає на величину імпедансу. Для електродів, виготовлених з двох різних матеріалів, розвиток істинної поверхні призводить до зменшення поляризаційних явищ. Це пояснюється тим, що при збільшенні істинної поверхні електрода знижується відповідно дійсна густина струму поляризації і, отже, поляризаційний ефект.
Що стосується частоти змінного струму, то багатьма дослідниками було показано, що для оборотних електродів з різних матеріалів у водних розчинах різних концентрацій залежність величини поляризаційного опору R S від частоти виражається формулою:
де
Вище вже зазначалося, що похибка, створювану поляризаційним опором, при вимірах електропровідності можна значно зменшити, застосовуючи платинові електроди, покриті платинову черню. Цей ефект вперше виявлений Кольраушем, який рекомендував проводити осадження платинової черні електролізом з розчину хлороплатинату з додаванням слідів ацетату свинцю.
Таким чином, на підставі викладеного вище, першим способом зменшення або виключення похибки ΔR S є застосування платинування. При цьому необхідно враховувати, що платинована електроди можливо застосовувати тільки в тих випадках, коли вимірюють електропровідність нейтральних і слабо розлучених розчинів, що мають концентрацію вище 0.01 н., Якщо відсутня небезпека, що платинова чернь буде каталізатором небажаної хімічної реакції в розчині.
Отже, коли є умови для застосування платинована електродів, то при відповідному виборі ступеня платинування і частоти похибка, створювану поляризаційним опором, можна зменшити до такої величини, що навіть при вимірах, вироблених з найвищою точністю, немає необхідності вводити поправку до результатів вимірювання на поляризаційне опір.
Однак, крім похибок, які створюються за рахунок поляризаційного ефекту, необхідно враховувати похибки від теплового ефекту при протіканні струму через осередок і похибка від паразитних струмів. Для усунення даних видів похибок необхідно прагнути до зменшення напруги, прикладеної до осередку від джерела, яке збільшує парниковий ефект, також слід гранично скоротити тривалість часу окремого вимірювання, потрібно збільшити константу комірки А, що досягається збільшенням відстані між електродами і зменшенням поперечного перерізу посудини. Збільшення обсягу судини осередку призводить до зменшення похибки вимірювання, так як для нагрівання великого обсягу електроліту потрібен тривалий час.
1.3 Особливості вимірювання електричної провідності.
У даному експериментальному дослідженні вимірювалася електрична провідність магнітної рідини в залежності від концентрації твердої фази. Для цього використовувалася двохелектродні осередку, одна з яких має електроди з гладкою платини, а інша з міді.
Для обчислення електропровідності магнітної рідини необхідно знати константу комірки А (м -1), яку неможливо визначити прямим вимірюванням довжини судини і площі його поперечного перерізу внаслідок:
а) розсіювання силових ліній струму, які не обмежуються стовпчиком магнітної рідини, що знаходиться точно між електродами;
б) неможливості витримати точно паралельне розташування електродів і строго певну їх форму;
в) складної форми скляної посудини, що обмежує поширення силових ліній струму.
На практиці прийнято [Лопатин] для визначення константи осередки А застосовувати стандартні водні розчини хлористого калію, величина електропровідності яких при різних температурах відома з великою точністю. Після вимірювання опору осередку, заповненої розчином хлористого калію з відомою величиною σ, з твору А = σR легко обчислюється константа комірки А.
Для обчислень стандартної величини електропровідності нормальних розчинів хлористого калію при температурах до 50 ˚ С задовільні результати дає формула:
де с - константа, залежність якої від концентрації розчину хлористого калію наведена нижче:
KCl ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 0.01 0.1 0.5
C × 10 Квітня ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 232 228 218
При визначенні константи осередку з застосуванням стандартних розчинів KCl, концентрація яких нижче 0.1 н., Необхідно робити поправку на електропровідність води, яка при 25 ˚ С повинна мати величину, близьку до 1.1 × 10 -6 сим × см -1.
1.4 Теорія питомої об'ємної провідності стосовно магнітної рідини.
Рідкими основами в магнітних рідинах, як правило, є органічні середовища, що займають проміжне положення між іонними діелектриками і рідкими іонними провідниками (водними розчинами електролітів). Широко використовуваний в якості твердої фази магнетит має в моноліті відносно високу питому електричну провідність, яка, проте, на кілька порядків нижче, ніж у металів
γ ≈ 2 * 10 4 См * м -1
Нагадаємо, що в технічних магнітних рідинах об'ємний вміст твердих часток не перевищує 25% (інакше спостерігається різке зниження плинності). При цьому магнітні частинки відокремлені один від одного шаром ПАР. Поверхнево активна речовина (наприклад, олеїнова кислота) зазвичай також органічна рідина, що має хімічна спорідненість до основи і близькі з нею значення рухливості носіїв заряду та їх концентрації. Так як в якісно приготовленої магнітної рідини всі тверді частинки оточені шаром ПАР, то об'ємна провідність магнітної рідини повинна визначатися, мабуть, концентрацією носіїв заряду та їх рухливістю в рідкій фазі.
У численних експериментах не було зареєстровано істотного впливу магнітного поля, спрямованого або паралельно, або перпендикулярно до постійного струму, що проходить по вимірювальному осередку, на електричну провідність магнітної рідини.
Типові вольт-амперні характеристики якісно приготованих магнітних рідин на основі гасу, зняті без магнітного поля означають:
1) для рідини з помірною концентрацією дисперсної фази (φ = 0,008) струм різко зростає із збільшенням напруги;
2) для рідини висококонцентрованою (φ = 0,3) струм зі збільшенням напруги зростає на дуже маленьку величину.
Якісної вважалася рідина, колоїдні частинки Fe 3 O 4 якого п'ять разів відмивалися дистильованою водою після осадження. Для цих рідин у дослідженому діапазоні концентрацій φ = 0-0,3, починаючи з напруженості Е = 2,5 кВ / м, вольт-амперні характеристики ставали лінійними. За їх куті нахилу розраховувалася питома електрична провідність.
Питома провідність досліджуваних магнітних рідин залежала від об'ємної концентрації магнетиту немонотонний чином. В області 0 <φ ≤ 0.09 провідність зростала зі збільшенням концентрації магнітних частинок, а в області високих концентрацій (φ> 0.16) - падала. Причому графіки, отримані різними експериментаторами, розходяться. Це можна пояснити, мабуть, температурної залежністю електричної провідності рідини. Різниця у значеннях γ може бути обумовлено різним ступенем відмивання дисперсного магнетиту після його отримання.
Відомо, що аналогічний вид залежності електричної провідності властивий розчинів сильних електролітів, і зниження провідності в області високих концентрацій пояснювалося падінням рухливості іонів при збільшенні загальної кількості носіїв заряду. Ця обставина дозволяє припустити, що в магнітних рідинах, отриманих методом хімічної конденсації, існує домішковий тип провідності.
Для уточнення механізму переносу заряду в магнітних рідинах проводилася серія дослідів на рідинах з магнетитом, який взагалі не відмиваються після процесу хімічної конденсації. Вольт-амперні характеристики таких рідин зняти не вдалося, окрім однієї, у якій концентрація твердої фази φ = 0.27. В експериментах, проведених при t = 22 ˚ C, спостерігався експонентний ріст сили струму зі збільшенням напруженості електричного поля. Починаючи з Е = 15-20 кВ / м, спостерігалися стрибкоподібне збільшення I і нестаціонарність переносу заряду. Для рідини, у якої φ = 0.27, сила струму збільшувалася пропорційно напрузі до Е = 15кВ / м, потім вольт-амперна характеристика втрачала лінійність. Електрична провідність цієї рідини розраховувалася за лінійним ділянці.
Зробимо оцінку гідродинамічної концентрації для об'ємної концентрації φ = 0.27. Для частинок середнім діаметром d ср = 10 нм і товщини адсорбційного шару δ = 2нм (максимальна довжина молекули олеїнової кислоти) отримаємо φ r = (d r / d ср) * φ = 0.74. При такій концентрації покриті шаром олеїнової кислоти полідисперсних частинки магнетиту знаходяться в безпосередній близькості один до одного. Отже, переміщення в електричному полі домішкових іонів, адсорбуються на частинках магнетиту в процесі хімічної конденсації і переходять в розчин після розбавлення концентрованої пасти рідкою основою, утруднене через їх взаємодії з полярними довголанцюгових молекулами олеїнової кислоти. Ця взаємодія і могло бути причиною стаціонарного переносу заряду в рідині з об'ємною концентрацією непромитих магнетиту φ = 0.27, що містить надмірну кількість домішкових іонів. У рідинах з меншими концентраціями непромитих магнетиту домішкові іони відносно вільно переміщаються по рідкій фазі, викликаючи предпробойное стан при збільшенні напруженості поля. Інша причина падіння електричної провідності в області високих концентрацій магнітних частинок може полягати в міцніючим розсіюванні домішкових іонів на магнітних моментах частинок.
Наведені результати дозволяють оцінити якість магнітної рідини по її вольт-амперної характеристики. Надлишок домішкових іонів в концентраті з колоїдних частинок магнетиту і стабілізатора ускладнює стабілізацію магнітної рідини, так як адсорбуватися на частинках іони перешкоджають повному покриттю частинок адсорбційною оболонкою. Отже, відхилення від лінійної вольт-амперної характеристики або нестаціонарність процесу переносу заряду в рідині означають неповну відмивання високодисперсного магнетиту, що призводить до зниження агрегативної стійкості магнітної рідини.
Питома електрична провідність магнетитових магнітних рідин на вуглеводневій основі, виміряна на змінному струмі f = 60 Гц, має той самий порядок, що і провідність, виміряна на постійному струмі: γ = 10 -6 См / м. Такий же результат був отриманий Б. Капланом і Д. Джейбековим (1976) для магнітної рідини на основі води.
За залежності питомої електричної провідності магнітної рідини від температури можна оцінить енергію активації носіїв заряду. Обробка даних залежностей lnγ від 1 / Т знаходять енергію активації
Енергія активації приблизно дорівнює 0.2 еВ для магнітних рідин і 0.6 Ев для гасу. Зниження цієї енергії для магнітних рідин в порівнянні з гасом узгоджується з гіпотезою про існування в магнітних рідинах домішкових іонів.
Відзначимо, що електричний опір магнітних рідин знижується приблизно на три порядки в порівнянні з основою. Проте воно залишається на кілька порядків вище, ніж у традиційних магнітних матеріалів, і тому при дії зовнішніх магнітних полів втрати в них на індукційні струми будуть малі.
Електрична міцність магнітних рідин характеризується пробивним напругою. Вимірювання пробивної напруги для магнітних рідин на вуглеводневій основі показали його зниження (більш ніж на 50%) в порівнянні з рідкою основою. Зі збільшенням магнітного поля, спрямованого паралельно електричному, пробивну напругу додатково зменшується і досягає Е пр ≈ 0.5 МВ / м при індукції 0.4 = 0.8 Тл. Ці дані отримані для магнетитових магнітних рідин на кремнийорганической основі. Багаторазову дію електричного поля знижувало пробивну напругу випробуваного зразка.
Глава 2.
Теорія діелектричної проникності та методика її вимірювання.
2.1. Історична довідка і поняття діелектричної проникності.
Першими роботами, які послужили основою для використання методів вимірювання діелектричної проникності, були роботи хіміка Друде (1897), в яких була встановлена емпірична зв'язок між будовою молекул і діелектричними втратами, і Дебая (1925-1929), який встановив зв'язок між величиною діелектричної проникності та діелектричних втрат з будовою молекул.
Першим аналітичним застосуванням вимірювань діелектричної проникності було визначення вмісту вологи (Берлінер, Рютер, 1929) в органічних сполуках. Пізніше були розроблені методи визначення чистоти органічних сполук, методи аналізу бінарних органічних систем і в 1950-1960 рр.. вперше були опубліковані методи діелектрометріческого титрування органічних систем.
Слід зазначити, що методи діелектрометрії розроблені головним чином стосовно аналізу непровідних органічних систем, що не вичерпує всіх можливостей діелектрометрії.
Отже, відносна діелектрична проникність ε визначається як відношення ємності С конденсатора, діелектриком у якого є в даному випадку досліджувана магнітна рідина, до ємності С 0 конденсатора, діелектриком у якого є вакуум:
З цього співвідношення видно, що відносна діелектрична проникність ε є величиною безрозмірною і не залежить від вибору системи одиниць.
Для безповітряного простору ε = 1, для повітря ε = 1,0006, для решти речовин ε> 1. При внесенні діелектрика між електродами конденсатора спостерігається збільшення ємності в ε разів. Причиною цього є поляризація діелектрика, внаслідок чого на поверхнях дотику електродів з діелектриком виникають пов'язані заряди, що сприяють зменшенню в ε разів інтенсивності поля Е і різниці потенціалів:
Абсолютна діелектрична проникність ε а, на відміну від відносної, має розмірність [ф · м -1]. Між абсолютною і відносною діелектричними проницаемостями існує наступна залежність:
ε а = ε ε 0,
де ε 0 - діелектрична проникність вакууму, що має наступну розмірність в одиницях СІ:
ε 0 = 10 7 / 4πС 2 ф · м -1 = 8.85 · 10 -12 ф · м -1,
де швидкість світла у вакуумі С = 2.998 · 10 8 м · сек -1.
Сила взаємодії наелектризованих тіл, згідно з законом Кулона
залежить як від електричних зарядів цих тіл q 1 і q 2 і відстані між ними r, так і від середовища, в якій знаходяться взаємодіючі тіла, яка характеризується абсолютною і відносною діелектричними проницаемостями.
Зсув електричних зарядів в діелектрику під дією електричного поля виявляється як відповідний струм зміщення. Його заходом є величина діелектричного струму I D, що визначається як електричний заряд, який у процесі зарядки чи розрядки конденсатора перетнув одиницю поверхні, що знаходиться перпендикулярно напрямку переміщення заряду. Між величиною електричного поля Е, щільністю струму зміщення I D і відносної діелектричної проникністю існує лінійна залежність
I D = ε ε 0 E.
Струм зміщення існує і в провідниках. При накладенні постійної напруги на провідник через нього протікає великий струм. У цьому випадку можна говорити про діелектричної проникності проводять речовин.
Зі сказаного видно, що діелектрична проникність є мірою поляризації діелектрика і є константою, властивої даному речовини.
2.2. Залежність діелектричної проникності від різних фізичних величин.
При вимірі діелектричної проникності досліджуваного речовини необхідно пам'ятати і враховувати залежності проникності від різних величин. Наприклад, якщо діелектрик знаходиться в змінному електричному полі, то його поляризація залежить від частоти поля. При низьких частотах зміна індукції йде за зміною поля без запізнення. Зміна електричного поля і поляризація знаходяться у фазі і відносна діелектрична проникність має максимальну величину (ε = ε '). З підвищенням частоти орієнтація диполів все більше не встигає слідувати за зміною поля. Відбувається відставання по фазі орієнтаційної поляризації молекул від змін поля і при дуже високих частотах орієнтаційна поляризація повністю зникає (ε '<<ε) - спостерігається так звана дисперсія діелектричної проникності.
Температурна залежність діелектричної проникності має складний вид, залежить від структури речовини і застосовується для вимірювання частоти.
Особливо сильні зміни температурної залежності діелектричної проникності спостерігаються при структурних змінах молекул, при фазових переходах і т.п.
Величина діелектричної проникності в значній мірі залежить від структури молекули. Для речовин, що мають полярні молекули, і, отже, дипольні моменти, діелектрична проникність велика. У електрично симетричних молекул результуючий дипольний момент практично дорівнює нулю. Зі зменшенням симетричності молекули величина діелектричної проникності збільшується.
Що стосується залежності діелектричної проникності від агрегатного стану речовини, то тут нам цікаві колоїди та емульсії. Ці стани, в яких можуть знаходитися магнітні рідини, мають багато спільних діелектричних властивостей. Діелектричне поведінку водних колоїдних розчинів визначається структурою колоїдних частинок. На величиною діелектричної проникності позначаються також фізико-хімічні властивості колоїдів, такі, як анізотропія, освіта міцел. У гідрофільних колоїдів (желатин) частина молекул води впроваджується в міцели і не бере участі в орієнтаційної поляризації. Вода, пов'язана в міцелах на відміну від вільної має діелектричну проникність ε ≈ 2.
Для емульсій, як і для колоїдів, прості рівняння змішання не застосовні, оскільки результати залежать від ступеня дисперсності дисперсної фази.
Якщо в дисперсному середовищі, що має діелектричну проникність ε 2, розподілена нерозчинна фаза з проникністю ε 1, то для одержуваної при цьому різниці діелектричних проникностей Δε = ε ем-ε 2 застосовно рівняння
де v 1-об'ємна частка дисперсної фази. При постійній величині v 1 Δε зростає із збільшенням ступеня диспергування твердої фази або ступеня емульгування рідини.
Використання останньої формули для водних емульсій показало, що емульгованих вода дає значно меншу величину Δε, ніж розчинена. Цей ефект знаходить значне технічне застосування, наприклад для визначення вмісту води у трансформаторному маслі.
2.3. Метод вимірювання діелектричної проникності.
У сучасних методах визначення величини діелектричної проникності використовується як постійний струм, так і змінний струм у широкому діапазоні частот.
Вимірювання методами змінного струму поширені більш широко. Це пов'язано з тим, що вони дають велику інформацію про структуру і властивості діелектрика, дозволяють визначати діелектричну проникність рідин і розчинів електролітів, що володіють електропровідністю, і нарешті, прилади - діелектрометріческіе осередку - в більшості випадків є компактними і більш зручними для різних фізико-хімічних досліджень .
Мостові методи за принципом роботи поділяються на дві групи: 1) нерезонансні або прості мости різного типу, які використовуються головним чином при низьких частотах і 2) резонансні мости, умови рівноваги яких залежать від частоти і які можуть застосовуватися при високих частотах. Резонансні мости, як правило, мають більш високу чутливість в порівнянні з нерезонансних мостами. Крім того, мостові методи вимірювання дозволяють виробляти окремий відлік активної і реактивної складових повного опору.
Для вимірювання діелектричної проникності можуть бути використані ємнісні, індуктивні та контактні осередки.
У даному експерименті використовувалися контактні осередки.
Перевагою таких осередків є лінійна залежність між вимірюваною ємністю С і діелектричною проникністю ε досліджуваної рідини. Особливістю таких осередків є поляризація електродів при низьких частотах, яка є причиною похибок. Оскільки в даний час всі методи вимірювання діелектричної проникності засновані на порівнянні ємності конденсатора, діелектриком у якого є досліджуваний речовина, що має, як правило, провідними властивостями, то поляризація електродів, що виникає при низьких частотах, також створює певні похибки при вимірюванні ємності.
Основною умовою використання контактної осередки для вимірювання діелектричної проникності є вибір досить високої частоти, при якій поляризаційне опір і ємність дорівнюють нулю.
Другою умовою є необхідність усунення ємності подвійного шару С Д. Це досягається застосуванням електродів з досить розвиненою поверхнею (наприклад, платинування).
2.4. Діелектричні характеристики магнітних рідин.
Діелектрична проникність ε більшості діелектриків, що характеризує їх поляризацію в електричному полі, не залежить від напруженості поля, але залежить від його частоти. Для магнітних рідин важливим фізичним параметром є концентрація твердої фази, відносна діелектрична проникність якої вище, ніж проникність рідких основ. Присутність полярних молекул поверхнево-активної речовини в магнітній рідині також впливає на її діелектричну проникність.
Р. Розенцвейг і Р. Кайзер (1969) визначили відносну діелектричну проникність порошку з колоїдних частинок магнетиту ε ≈ 15 на частотах 400 Гц і 1 кГц. М. І. Дюповкін і Д. В. Орлов (1983) досліджували магнетитові магнітні рідини на основі гасу, стабілізовані олеїнової кислотою, в діапазоні частот 10 лютого -7 * 10 4 Гц. При збільшенні об'ємної концентрації магнетиту від 5 до 19.5% відносна діелектрична проникність монотонно зростала від 3 до 9 на частоті 100 Гц. Зі збільшенням частоти зміни електричного поля, створюваного в міжелектродному просторі осередку з плоскопараллельних електродами, відносна діелектрична проникність плавно зменшувалася, причому найбільш різкий спад спостерігався в діапазоні частот 10 2 -10 3 Гц. Вимірювання Г. М. Гордєєва з співавторами (1983) відносної діелектричної проникності близьких за характеристиками магнітних рідин в діапазоні частот 10 5 -10 7 Гц узгоджуються з даними Н. І. Дюповкіна і Д. В. Орлова на верхній межі частот. Ця частотна залежність діелектричної проникності ε й тангенса кута діелектричних втрат tg δ отримана при кімнатній температурі. З отриманих графіків видно, що відносна діелектрична проникність досліджених зразків практично постійна в зазначеному діапазоні частот. Графіки для гасу і олеїнової кислоти розташовуються нижче значень ε для магнітних рідин.
Залежність тангенса кута діелектричних втрат від частоти електричного поля характеризується різким падінням в діапазоні частот 10 2 -5 * 10 6 Гц, причому на частоті 10 5 Гц діелектричні втрати для магнітних рідин на порядок перевищують tg δ для гасу. Одна з причин зростання діелектричних втрат із зменшенням частоти електричного поля може полягати в джоулевих втрати, пов'язані з провідністю магнітної рідини.
Глава 3.
Експериментальні дослідження електричної провідності та діелектричної проникності магнітної рідини.
У цій роботі проводилися дослідження електричної провідності та діелектричної проникності магнітної рідини. Всі вимірювання проводилися мостовим методом за допомогою прібораЧЧЧЧЧЧЧ
Магнітна рідина заливалася в вимірювальні осередки двох видів. Одна з них має платинові електроди, інша мідні. Конструкції осередків відрізняються один від одного, їх схеми наведені на малюнку 1.
Малюнок 1. Схеми застосовуваних осередків.
Осередок з платинована електродами, як вже зазначалося вище, має більшу точність результатів вимірювань. Самим головним її недоліком є необхідність наявності великого обсягу магнітної рідини, що дуже важко здійснити при вивченні концентраційних рядків, які складаються з великої кількості концентрацій. У цю клітинку містився обсяг магнітної рідини дорівнює 50 мл. Досліджувана рідина розлучалася до концентрації φ = 1%, маючи початкову φ = 16%. З кожною концентрацією окремо проводилися вимірювання електричної провідності та діелектричної проникності.
Електроди кожного осередку з'єднувалися з виходами вимірювального приладу на можливо короткий час, що робилося, як було описано вище, щоб уникнути непотрібних похибок вимірювань. Всі експерименти проводилися при однаковій температурі. Після зняття показань вимірювального приладу для електричної провідності і значення ємності для розрахунку діелектричної проникності, осередок з магнітною рідиною містилася до перпендикулярного і паралельне магнітні поля, створювані кільцями Гельмгольца. Значення вимірюваних величин знімалися, коли напруженість магнітного поля була максимальною. Після зняття всіх необхідних вимірів, магнітна рідина вилучалася з осередку, розлучалася до потрібної концентрації і використовувалася знову. Для повторного експерименту спочатку був приготований концентраційний ряд, який згодом можна використовувати багато разів.
Перший вимір проводилося в осередку з платиновими електродами. Результати вимірювань наведені на графіках.
Малюнок 3. Концентраційна залежність електричної провідності.
З графіка видно, що концентраційна залежність електричної провідності має максимум, який припадає на концентрацію магнітної рідини близько 10%. Далі величина електропровідності плавно спадає зі зменшенням концентрації.
Малюнок 4. Концентраційна залежність діелектричної проникності.
Графік залежності діелектричної проникності від концентрації магнітної рідини підтверджує раніше отримані результати [Ферт], в яких проникність вела себе подібним чином, тобто при зменшенні концентрації величина ε зменшується. Різниця справжніх і раніше отриманих вимірювань не велика, від неї графік лише зрушується на певне значення. Ця різниця може бути пояснена різними температурами умов вимірювання.
Наступні графіки отримані при вимірюванні цих же величин, але для більш точного і багаторівневого концентраційного ряду. Тут використовувалася осередок з мідними електродами. Схема експерименту така ж як і у випадку з осередком, що має платинові електроди.
Малюнок 5. Залежність електропровідності від концентрації.
Як видно з малюнка, провідність і в даному випадку поводиться також, її величина починає падати з концентрації 10%. Цей максимум викликає безліч запитань у дослідників. Деякі пояснюють його зміною рухливості іонів магнітної рідини із зміною концентрації. Передбачається, що при великих концентраціях рухливість велика, отже, кількість іонів, що беруть участь в електропровідності велике. При розведенні мж Карасіним провідність, а значить, і рухливість збільшується до певного значення кількості гасу в мж. Далі, починаючи приблизно з концентрації 10%, рухливість іонів падає, і провідність відповідно зменшується. Інша теорія пояснює таку поведінку провідності збільшенням ступеня електролітичної дисоціації при збільшенні дисперсної фази в мж. Можливо, ці два механізми здійснюються одночасно, накладаючи такий відбиток на поведінку графіка.
Діелектрична проникність поводиться таким чином.
Малюнок 6. Залежність діелектричної проникності від концентрації мж.
Наступні графіки зображують залежності вимірюваних величин від зміни напрямку паралельного та перпендикулярного магнітних полів для різних концентрацій.
Малюнок 7. Зміна провідності в перпендикулярному магнітному полі.
Малюнок 8. Зміна проникності в перпендикулярному магнітному полі.
Малюнок 9. Відносне зміна провідності в паралельному магнітному полі.
Малюнок 10. Зміна проникності в паралельному магнітному полі.
Список використаної літератури.
1. Вегера Ж.Г. Ефекти структурної організації колоїдних частинок і мікрочастинок дисперсного немагнітного наповнювача в магнітній рідині при її взаємодії з електричними і магнітними полями. Дис. канд. фіз.-мат. наук. - Ставрополь, 2004.
2. Духін С.С. Електропровідність і електрокінетичні властивості дисперсних систем. - Київ.: Наук. думка, 1975.
3. Лопатин Б.А. «Теоретичні основи електрохімічних методів аналізу» М.: вища школа, 1975р, 296 с.
4. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики. Том 3 - Електрика. Москва, 1977
5. Фертман В.Є., Гордєєв Г.М., Матусевич Н.П., Ржевська С.П. Електричні властивості магнітних рідин. Свердловськ: УНЦ АН СРСР, 1983.
γ ≈ 2 * 10 4 См * м -1
Нагадаємо, що в технічних магнітних рідинах об'ємний вміст твердих часток не перевищує 25% (інакше спостерігається різке зниження плинності). При цьому магнітні частинки відокремлені один від одного шаром ПАР. Поверхнево активна речовина (наприклад, олеїнова кислота) зазвичай також органічна рідина, що має хімічна спорідненість до основи і близькі з нею значення рухливості носіїв заряду та їх концентрації. Так як в якісно приготовленої магнітної рідини всі тверді частинки оточені шаром ПАР, то об'ємна провідність магнітної рідини повинна визначатися, мабуть, концентрацією носіїв заряду та їх рухливістю в рідкій фазі.
У численних експериментах не було зареєстровано істотного впливу магнітного поля, спрямованого або паралельно, або перпендикулярно до постійного струму, що проходить по вимірювальному осередку, на електричну провідність магнітної рідини.
Типові вольт-амперні характеристики якісно приготованих магнітних рідин на основі гасу, зняті без магнітного поля означають:
1) для рідини з помірною концентрацією дисперсної фази (φ = 0,008) струм різко зростає із збільшенням напруги;
2) для рідини висококонцентрованою (φ = 0,3) струм зі збільшенням напруги зростає на дуже маленьку величину.
Якісної вважалася рідина, колоїдні частинки Fe 3 O 4 якого п'ять разів відмивалися дистильованою водою після осадження. Для цих рідин у дослідженому діапазоні концентрацій φ = 0-0,3, починаючи з напруженості Е = 2,5 кВ / м, вольт-амперні характеристики ставали лінійними. За їх куті нахилу розраховувалася питома електрична провідність.
Питома провідність досліджуваних магнітних рідин залежала від об'ємної концентрації магнетиту немонотонний чином. В області 0 <φ ≤ 0.09 провідність зростала зі збільшенням концентрації магнітних частинок, а в області високих концентрацій (φ> 0.16) - падала. Причому графіки, отримані різними експериментаторами, розходяться. Це можна пояснити, мабуть, температурної залежністю електричної провідності рідини. Різниця у значеннях γ може бути обумовлено різним ступенем відмивання дисперсного магнетиту після його отримання.
Відомо, що аналогічний вид залежності електричної провідності властивий розчинів сильних електролітів, і зниження провідності в області високих концентрацій пояснювалося падінням рухливості іонів при збільшенні загальної кількості носіїв заряду. Ця обставина дозволяє припустити, що в магнітних рідинах, отриманих методом хімічної конденсації, існує домішковий тип провідності.
Для уточнення механізму переносу заряду в магнітних рідинах проводилася серія дослідів на рідинах з магнетитом, який взагалі не відмиваються після процесу хімічної конденсації. Вольт-амперні характеристики таких рідин зняти не вдалося, окрім однієї, у якій концентрація твердої фази φ = 0.27. В експериментах, проведених при t = 22 ˚ C, спостерігався експонентний ріст сили струму зі збільшенням напруженості електричного поля. Починаючи з Е = 15-20 кВ / м, спостерігалися стрибкоподібне збільшення I і нестаціонарність переносу заряду. Для рідини, у якої φ = 0.27, сила струму збільшувалася пропорційно напрузі до Е = 15кВ / м, потім вольт-амперна характеристика втрачала лінійність. Електрична провідність цієї рідини розраховувалася за лінійним ділянці.
Зробимо оцінку гідродинамічної концентрації для об'ємної концентрації φ = 0.27. Для частинок середнім діаметром d ср = 10 нм і товщини адсорбційного шару δ = 2нм (максимальна довжина молекули олеїнової кислоти) отримаємо φ r = (d r / d ср) * φ = 0.74. При такій концентрації покриті шаром олеїнової кислоти полідисперсних частинки магнетиту знаходяться в безпосередній близькості один до одного. Отже, переміщення в електричному полі домішкових іонів, адсорбуються на частинках магнетиту в процесі хімічної конденсації і переходять в розчин після розбавлення концентрованої пасти рідкою основою, утруднене через їх взаємодії з полярними довголанцюгових молекулами олеїнової кислоти. Ця взаємодія і могло бути причиною стаціонарного переносу заряду в рідині з об'ємною концентрацією непромитих магнетиту φ = 0.27, що містить надмірну кількість домішкових іонів. У рідинах з меншими концентраціями непромитих магнетиту домішкові іони відносно вільно переміщаються по рідкій фазі, викликаючи предпробойное стан при збільшенні напруженості поля. Інша причина падіння електричної провідності в області високих концентрацій магнітних частинок може полягати в міцніючим розсіюванні домішкових іонів на магнітних моментах частинок.
Наведені результати дозволяють оцінити якість магнітної рідини по її вольт-амперної характеристики. Надлишок домішкових іонів в концентраті з колоїдних частинок магнетиту і стабілізатора ускладнює стабілізацію магнітної рідини, так як адсорбуватися на частинках іони перешкоджають повному покриттю частинок адсорбційною оболонкою. Отже, відхилення від лінійної вольт-амперної характеристики або нестаціонарність процесу переносу заряду в рідині означають неповну відмивання високодисперсного магнетиту, що призводить до зниження агрегативної стійкості магнітної рідини.
Питома електрична провідність магнетитових магнітних рідин на вуглеводневій основі, виміряна на змінному струмі f = 60 Гц, має той самий порядок, що і провідність, виміряна на постійному струмі: γ = 10 -6 См / м. Такий же результат був отриманий Б. Капланом і Д. Джейбековим (1976) для магнітної рідини на основі води.
За залежності питомої електричної провідності магнітної рідини від температури можна оцінить енергію активації носіїв заряду. Обробка даних залежностей lnγ від 1 / Т знаходять енергію активації
Енергія активації приблизно дорівнює 0.2 еВ для магнітних рідин і 0.6 Ев для гасу. Зниження цієї енергії для магнітних рідин в порівнянні з гасом узгоджується з гіпотезою про існування в магнітних рідинах домішкових іонів.
Відзначимо, що електричний опір магнітних рідин знижується приблизно на три порядки в порівнянні з основою. Проте воно залишається на кілька порядків вище, ніж у традиційних магнітних матеріалів, і тому при дії зовнішніх магнітних полів втрати в них на індукційні струми будуть малі.
Електрична міцність магнітних рідин характеризується пробивним напругою. Вимірювання пробивної напруги для магнітних рідин на вуглеводневій основі показали його зниження (більш ніж на 50%) в порівнянні з рідкою основою. Зі збільшенням магнітного поля, спрямованого паралельно електричному, пробивну напругу додатково зменшується і досягає Е пр ≈ 0.5 МВ / м при індукції 0.4 = 0.8 Тл. Ці дані отримані для магнетитових магнітних рідин на кремнийорганической основі. Багаторазову дію електричного поля знижувало пробивну напругу випробуваного зразка.
Глава 2.
Теорія діелектричної проникності та методика її вимірювання.
2.1. Історична довідка і поняття діелектричної проникності.
Першими роботами, які послужили основою для використання методів вимірювання діелектричної проникності, були роботи хіміка Друде (1897), в яких була встановлена емпірична зв'язок між будовою молекул і діелектричними втратами, і Дебая (1925-1929), який встановив зв'язок між величиною діелектричної проникності та діелектричних втрат з будовою молекул.
Першим аналітичним застосуванням вимірювань діелектричної проникності було визначення вмісту вологи (Берлінер, Рютер, 1929) в органічних сполуках. Пізніше були розроблені методи визначення чистоти органічних сполук, методи аналізу бінарних органічних систем і в 1950-1960 рр.. вперше були опубліковані методи діелектрометріческого титрування органічних систем.
Слід зазначити, що методи діелектрометрії розроблені головним чином стосовно аналізу непровідних органічних систем, що не вичерпує всіх можливостей діелектрометрії.
Отже, відносна діелектрична проникність ε визначається як відношення ємності С конденсатора, діелектриком у якого є в даному випадку досліджувана магнітна рідина, до ємності С 0 конденсатора, діелектриком у якого є вакуум:
З цього співвідношення видно, що відносна діелектрична проникність ε є величиною безрозмірною і не залежить від вибору системи одиниць.
Для безповітряного простору ε = 1, для повітря ε = 1,0006, для решти речовин ε> 1. При внесенні діелектрика між електродами конденсатора спостерігається збільшення ємності в ε разів. Причиною цього є поляризація діелектрика, внаслідок чого на поверхнях дотику електродів з діелектриком виникають пов'язані заряди, що сприяють зменшенню в ε разів інтенсивності поля Е і різниці потенціалів:
Абсолютна діелектрична проникність ε а, на відміну від відносної, має розмірність [ф · м -1]. Між абсолютною і відносною діелектричними проницаемостями існує наступна залежність:
ε а = ε ε 0,
де ε 0 - діелектрична проникність вакууму, що має наступну розмірність в одиницях СІ:
ε 0 = 10 7 / 4πС 2 ф · м -1 = 8.85 · 10 -12 ф · м -1,
де швидкість світла у вакуумі С = 2.998 · 10 8 м · сек -1.
Сила взаємодії наелектризованих тіл, згідно з законом Кулона
залежить як від електричних зарядів цих тіл q 1 і q 2 і відстані між ними r, так і від середовища, в якій знаходяться взаємодіючі тіла, яка характеризується абсолютною і відносною діелектричними проницаемостями.
Зсув електричних зарядів в діелектрику під дією електричного поля виявляється як відповідний струм зміщення. Його заходом є величина діелектричного струму I D, що визначається як електричний заряд, який у процесі зарядки чи розрядки конденсатора перетнув одиницю поверхні, що знаходиться перпендикулярно напрямку переміщення заряду. Між величиною електричного поля Е, щільністю струму зміщення I D і відносної діелектричної проникністю існує лінійна залежність
I D = ε ε 0 E.
Струм зміщення існує і в провідниках. При накладенні постійної напруги на провідник через нього протікає великий струм. У цьому випадку можна говорити про діелектричної проникності проводять речовин.
Зі сказаного видно, що діелектрична проникність є мірою поляризації діелектрика і є константою, властивої даному речовини.
2.2. Залежність діелектричної проникності від різних фізичних величин.
При вимірі діелектричної проникності досліджуваного речовини необхідно пам'ятати і враховувати залежності проникності від різних величин. Наприклад, якщо діелектрик знаходиться в змінному електричному полі, то його поляризація залежить від частоти поля. При низьких частотах зміна індукції йде за зміною поля без запізнення. Зміна електричного поля і поляризація знаходяться у фазі і відносна діелектрична проникність має максимальну величину (ε = ε '). З підвищенням частоти орієнтація диполів все більше не встигає слідувати за зміною поля. Відбувається відставання по фазі орієнтаційної поляризації молекул від змін поля і при дуже високих частотах орієнтаційна поляризація повністю зникає (ε '<<ε) - спостерігається так звана дисперсія діелектричної проникності.
Температурна залежність діелектричної проникності має складний вид, залежить від структури речовини і застосовується для вимірювання частоти.
Особливо сильні зміни температурної залежності діелектричної проникності спостерігаються при структурних змінах молекул, при фазових переходах і т.п.
Величина діелектричної проникності в значній мірі залежить від структури молекули. Для речовин, що мають полярні молекули, і, отже, дипольні моменти, діелектрична проникність велика. У електрично симетричних молекул результуючий дипольний момент практично дорівнює нулю. Зі зменшенням симетричності молекули величина діелектричної проникності збільшується.
Що стосується залежності діелектричної проникності від агрегатного стану речовини, то тут нам цікаві колоїди та емульсії. Ці стани, в яких можуть знаходитися магнітні рідини, мають багато спільних діелектричних властивостей. Діелектричне поведінку водних колоїдних розчинів визначається структурою колоїдних частинок. На величиною діелектричної проникності позначаються також фізико-хімічні властивості колоїдів, такі, як анізотропія, освіта міцел. У гідрофільних колоїдів (желатин) частина молекул води впроваджується в міцели і не бере участі в орієнтаційної поляризації. Вода, пов'язана в міцелах на відміну від вільної має діелектричну проникність ε ≈ 2.
Для емульсій, як і для колоїдів, прості рівняння змішання не застосовні, оскільки результати залежать від ступеня дисперсності дисперсної фази.
Якщо в дисперсному середовищі, що має діелектричну проникність ε 2, розподілена нерозчинна фаза з проникністю ε 1, то для одержуваної при цьому різниці діелектричних проникностей Δε = ε ем-ε 2 застосовно рівняння
де v 1-об'ємна частка дисперсної фази. При постійній величині v 1 Δε зростає із збільшенням ступеня диспергування твердої фази або ступеня емульгування рідини.
Використання останньої формули для водних емульсій показало, що емульгованих вода дає значно меншу величину Δε, ніж розчинена. Цей ефект знаходить значне технічне застосування, наприклад для визначення вмісту води у трансформаторному маслі.
2.3. Метод вимірювання діелектричної проникності.
У сучасних методах визначення величини діелектричної проникності використовується як постійний струм, так і змінний струм у широкому діапазоні частот.
Вимірювання методами змінного струму поширені більш широко. Це пов'язано з тим, що вони дають велику інформацію про структуру і властивості діелектрика, дозволяють визначати діелектричну проникність рідин і розчинів електролітів, що володіють електропровідністю, і нарешті, прилади - діелектрометріческіе осередку - в більшості випадків є компактними і більш зручними для різних фізико-хімічних досліджень .
Мостові методи за принципом роботи поділяються на дві групи: 1) нерезонансні або прості мости різного типу, які використовуються головним чином при низьких частотах і 2) резонансні мости, умови рівноваги яких залежать від частоти і які можуть застосовуватися при високих частотах. Резонансні мости, як правило, мають більш високу чутливість в порівнянні з нерезонансних мостами. Крім того, мостові методи вимірювання дозволяють виробляти окремий відлік активної і реактивної складових повного опору.
Для вимірювання діелектричної проникності можуть бути використані ємнісні, індуктивні та контактні осередки.
У даному експерименті використовувалися контактні осередки.
Перевагою таких осередків є лінійна залежність між вимірюваною ємністю С і діелектричною проникністю ε досліджуваної рідини. Особливістю таких осередків є поляризація електродів при низьких частотах, яка є причиною похибок. Оскільки в даний час всі методи вимірювання діелектричної проникності засновані на порівнянні ємності конденсатора, діелектриком у якого є досліджуваний речовина, що має, як правило, провідними властивостями, то поляризація електродів, що виникає при низьких частотах, також створює певні похибки при вимірюванні ємності.
Основною умовою використання контактної осередки для вимірювання діелектричної проникності є вибір досить високої частоти, при якій поляризаційне опір і ємність дорівнюють нулю.
Другою умовою є необхідність усунення ємності подвійного шару С Д. Це досягається застосуванням електродів з досить розвиненою поверхнею (наприклад, платинування).
2.4. Діелектричні характеристики магнітних рідин.
Діелектрична проникність ε більшості діелектриків, що характеризує їх поляризацію в електричному полі, не залежить від напруженості поля, але залежить від його частоти. Для магнітних рідин важливим фізичним параметром є концентрація твердої фази, відносна діелектрична проникність якої вище, ніж проникність рідких основ. Присутність полярних молекул поверхнево-активної речовини в магнітній рідині також впливає на її діелектричну проникність.
Р. Розенцвейг і Р. Кайзер (1969) визначили відносну діелектричну проникність порошку з колоїдних частинок магнетиту ε ≈ 15 на частотах 400 Гц і 1 кГц. М. І. Дюповкін і Д. В. Орлов (1983) досліджували магнетитові магнітні рідини на основі гасу, стабілізовані олеїнової кислотою, в діапазоні частот 10 лютого -7 * 10 4 Гц. При збільшенні об'ємної концентрації магнетиту від 5 до 19.5% відносна діелектрична проникність монотонно зростала від 3 до 9 на частоті 100 Гц. Зі збільшенням частоти зміни електричного поля, створюваного в міжелектродному просторі осередку з плоскопараллельних електродами, відносна діелектрична проникність плавно зменшувалася, причому найбільш різкий спад спостерігався в діапазоні частот 10 2 -10 3 Гц. Вимірювання Г. М. Гордєєва з співавторами (1983) відносної діелектричної проникності близьких за характеристиками магнітних рідин в діапазоні частот 10 5 -10 7 Гц узгоджуються з даними Н. І. Дюповкіна і Д. В. Орлова на верхній межі частот. Ця частотна залежність діелектричної проникності ε й тангенса кута діелектричних втрат tg δ отримана при кімнатній температурі. З отриманих графіків видно, що відносна діелектрична проникність досліджених зразків практично постійна в зазначеному діапазоні частот. Графіки для гасу і олеїнової кислоти розташовуються нижче значень ε для магнітних рідин.
Залежність тангенса кута діелектричних втрат від частоти електричного поля характеризується різким падінням в діапазоні частот 10 2 -5 * 10 6 Гц, причому на частоті 10 5 Гц діелектричні втрати для магнітних рідин на порядок перевищують tg δ для гасу. Одна з причин зростання діелектричних втрат із зменшенням частоти електричного поля може полягати в джоулевих втрати, пов'язані з провідністю магнітної рідини.
Глава 3.
Експериментальні дослідження електричної провідності та діелектричної проникності магнітної рідини.
У цій роботі проводилися дослідження електричної провідності та діелектричної проникності магнітної рідини. Всі вимірювання проводилися мостовим методом за допомогою прібораЧЧЧЧЧЧЧ
Магнітна рідина заливалася в вимірювальні осередки двох видів. Одна з них має платинові електроди, інша мідні. Конструкції осередків відрізняються один від одного, їх схеми наведені на малюнку 1.
Малюнок 1. Схеми застосовуваних осередків.
Осередок з платинована електродами, як вже зазначалося вище, має більшу точність результатів вимірювань. Самим головним її недоліком є необхідність наявності великого обсягу магнітної рідини, що дуже важко здійснити при вивченні концентраційних рядків, які складаються з великої кількості концентрацій. У цю клітинку містився обсяг магнітної рідини дорівнює 50 мл. Досліджувана рідина розлучалася до концентрації φ = 1%, маючи початкову φ = 16%. З кожною концентрацією окремо проводилися вимірювання електричної провідності та діелектричної проникності.
Електроди кожного осередку з'єднувалися з виходами вимірювального приладу на можливо короткий час, що робилося, як було описано вище, щоб уникнути непотрібних похибок вимірювань. Всі експерименти проводилися при однаковій температурі. Після зняття показань вимірювального приладу для електричної провідності і значення ємності для розрахунку діелектричної проникності, осередок з магнітною рідиною містилася до перпендикулярного і паралельне магнітні поля, створювані кільцями Гельмгольца. Значення вимірюваних величин знімалися, коли напруженість магнітного поля була максимальною. Після зняття всіх необхідних вимірів, магнітна рідина вилучалася з осередку, розлучалася до потрібної концентрації і використовувалася знову. Для повторного експерименту спочатку був приготований концентраційний ряд, який згодом можна використовувати багато разів.
Перший вимір проводилося в осередку з платиновими електродами. Результати вимірювань наведені на графіках.
Малюнок 3. Концентраційна залежність електричної провідності.
З графіка видно, що концентраційна залежність електричної провідності має максимум, який припадає на концентрацію магнітної рідини близько 10%. Далі величина електропровідності плавно спадає зі зменшенням концентрації.
Малюнок 4. Концентраційна залежність діелектричної проникності.
Графік залежності діелектричної проникності від концентрації магнітної рідини підтверджує раніше отримані результати [Ферт], в яких проникність вела себе подібним чином, тобто при зменшенні концентрації величина ε зменшується. Різниця справжніх і раніше отриманих вимірювань не велика, від неї графік лише зрушується на певне значення. Ця різниця може бути пояснена різними температурами умов вимірювання.
Наступні графіки отримані при вимірюванні цих же величин, але для більш точного і багаторівневого концентраційного ряду. Тут використовувалася осередок з мідними електродами. Схема експерименту така ж як і у випадку з осередком, що має платинові електроди.
Малюнок 5. Залежність електропровідності від концентрації.
Як видно з малюнка, провідність і в даному випадку поводиться також, її величина починає падати з концентрації 10%. Цей максимум викликає безліч запитань у дослідників. Деякі пояснюють його зміною рухливості іонів магнітної рідини із зміною концентрації. Передбачається, що при великих концентраціях рухливість велика, отже, кількість іонів, що беруть участь в електропровідності велике. При розведенні мж Карасіним провідність, а значить, і рухливість збільшується до певного значення кількості гасу в мж. Далі, починаючи приблизно з концентрації 10%, рухливість іонів падає, і провідність відповідно зменшується. Інша теорія пояснює таку поведінку провідності збільшенням ступеня електролітичної дисоціації при збільшенні дисперсної фази в мж. Можливо, ці два механізми здійснюються одночасно, накладаючи такий відбиток на поведінку графіка.
Діелектрична проникність поводиться таким чином.
Малюнок 6. Залежність діелектричної проникності від концентрації мж.
Наступні графіки зображують залежності вимірюваних величин від зміни напрямку паралельного та перпендикулярного магнітних полів для різних концентрацій.
Малюнок 7. Зміна провідності в перпендикулярному магнітному полі.
Малюнок 8. Зміна проникності в перпендикулярному магнітному полі.
Малюнок 9. Відносне зміна провідності в паралельному магнітному полі.
Малюнок 10. Зміна проникності в паралельному магнітному полі.
Список використаної літератури.
1. Вегера Ж.Г. Ефекти структурної організації колоїдних частинок і мікрочастинок дисперсного немагнітного наповнювача в магнітній рідині при її взаємодії з електричними і магнітними полями. Дис. канд. фіз.-мат. наук. - Ставрополь, 2004.
2. Духін С.С. Електропровідність і електрокінетичні властивості дисперсних систем. - Київ.: Наук. думка, 1975.
3. Лопатин Б.А. «Теоретичні основи електрохімічних методів аналізу» М.: вища школа, 1975р, 296 с.
4. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики. Том 3 - Електрика. Москва, 1977
5. Фертман В.Є., Гордєєв Г.М., Матусевич Н.П., Ржевська С.П. Електричні властивості магнітних рідин. Свердловськ: УНЦ АН СРСР, 1983.