Вплив температури і магнітного поля на електричну провідність і акумуляцію енергії в кондуктометричного

виправити

ДИПЛОМНА РОБОТА
Вплив температури і магнітного поля на електричну провідність і акумуляцію енергії в кондуктометричного осередку з магнітною рідиною
Виконала:
студентка 5 курсу ФМФ
від. «Фізика / Математика», група «В»
Савельєва Ганна Євгенівна
Науковий керівник:
кандидат фіз.-мат. наук
доц. Поліхроніді Н.Г.
Науковий консультант:
доц. Баграмян В.А.

План дипломної роботи

ВСТУП ................................................. .................................................. ............. 3
ГЛАВА I. Огляд літератури ................................................ ..................................... 4
I.1. Акумуляція енергії в осередку з мж ............................................ ............ 4
I.2. Анізотропія електропровідності мж, наведена зовнішнім впливом ........................................... .................................................. ......................... 6
РОЗДІЛ II. Дія електричного і магнітного полів на структурні елементи мж ......................................... .................................................. ............... 10
II.1.1. Дія ЕП на вільний заряд ............................................. ........... 10
II.1.2. Дія ЕП на електричний диполь ............................................. ... 10
II.2.1. Дія МП на рухомий заряд ............................................. ....... 13
II.2.2. Дія МП на магнітний диполь ............................................. ........ 15
ГЛАВА III. Математична теорія провідності мж ......................................... 16
III.1. Теорія провідності ................................................ ............................. 16
III.2. Вплив ЕП на рухливість мж ............................................. ............. 20
III.3. Вплив МП на рухливість мж ............................................. ............ 21
ГЛАВА IV. Результати експерименту та їх обговорення .......................................... 24
1. Дослідження ВАХ мж при різних темпах навантаження осередку ............ 24
2. Вплив температури на ВАХ мж ............................................. .............. 34
3. Дослідження розряду і саморозряду КЯ з мж ...................................... 38
4. Вплив температури на розряд і саморозряд КЯ з мж ....................... 51
5. Вплив МП на ВАХ, розряд і саморозряд КЯ з мж ............................ 56
ВИСНОВКИ І ВИСНОВОК ............................................... ................................... 59
ЛІТЕРАТУРА ................................................. .................................................. ........ 60

ВСТУП

Магнітні рідини (мж) на основі гасу мають деякою електричну провідність.
Носіями заряду можуть бути залишкові іони технологічної процедури при виготовленні мж як продукт розпаду іонних атмосфер, супутніх стабілізуючою оболонці диспергованих частинок та їх агрегатів. Припустити в якості носіїв самі магнітні частинки та їх агрегату можна, але більша маса і низька рухливість при, загалом, малому, мабуть, надмірному заряді малоймовірна.
Наслідком залежності можуть стати інші явища, вже виявлені.
Так вже помічена спонтанна поляризація електродів кондуктометричного осередку (КЯ), обумовлена, швидше за все, деякою асиметрією матеріалу електродів. Чітко проявляється гістерезис в ході ВАХ, обумовлений, мабуть, темпом навантаження КЯ. Неясна лише його залежність від зовнішніх умов, внутрішнього складу і структури МЖ як системи.
Інша чудова властивість мж, пов'язане з її провідністю, - це акумуляція заряду та енергії в КЯ при її заряжении. Багато деталей цього явища ще приховані, але дещо відомо точно. Встановлено співвідношення (якісне) між заряджаючим напругою і максимальною різницею потенціалів в зарядженій КЯ. Вивчено хід розряду і знайдено, що заряд, що накопичився в ній, значно перевищує заряд цієї ж осередки, взятої в ролі конденсатора з повітряно-гасовим і олеіновокіслотним наповнювачем.
Всі ці факти дозволили провести першу грубу оцінку електричних характеристик мж. У даній роботі продовжені дослідження провідності мж на основі гасу та акумуляції енергії в КЯ в умовах застосовується температури; отримані деякі нові результати про механізм розряду шляхом вивчення саморозряду КЯ і зіставлення його з повним розрядом. Ці результати поки що не відрізняються високим ступенем точності (кількісної) через підвищеної чутливості мж до температури, але якісно визначені.

ГЛАВА I. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

I.1. Чеканов В.В., Бондаренко О.А., Кандаурова Н.В. Накопичення заряду в електрофоретичної осередку з мж

Були проведені дослідження електричних властивостей мж «магнетит в гасі» з ПАР, олеїнової кислотою об'ємною концентрацією 5-12%.
ВАХ осередку, використовуваної в даній роботі нелінійні, тому клітинку можна представити як конденсатор, що накопичує заряд на обкладинках, величина якого виявилася рівною 10 ^-5 Кл (еквівалентна ємність такого конденсатора близько 10 мкФ.
При подачі на клітинку прямокутного імпульсу напруги з амплітудним значенням ± 10 В залежність напруги на комірці від часу має вигляд.

Отримали функцію, виду
,
де

, C ₁ - порядку 10 нФ;

, C ₂ - близько 10 мкФ.
Оптичні дослідження показують, що час застосування відбивної здатності осередку при подачі на неї імпульсного напруги та висвітленні світлом довжиною хвилі l = 504 нм, має той самий порядок, що і час зарядки конденсатора.
При подачі const напруги на комірку в ній тече струм, під дією якого частинки магнетиту рухаються до електродів, утворюючи поблизу поверхонь провідний шар, відокремлений шаром ПАР. В обсязі осередку утворюється об'ємний заряд, який обумовлює провідність осередки.
Передбачається, що можна розглядати комірці як систему послідовно з'єднаних конденсаторів, обкладки яких представляють собою провідний шар діоксиду олова, шар проводять часток з непровідним шаром ПАР, провідне середовище, обумовлену виникненням об'ємного заряду. Еквівалентна схема чарунки:

.
Використовуючи відомі формули електродинаміки, була проведена оцінка товщини шару ПАР для даної моделі. Він виявився порядку 10-50 А, що по порядку величини відповідає товщині ПАР на колоїдних частинках.
Осередок має нелінійним опором R, що можна пояснити виникають в об'ємі рідини електрогідродинамічних течіями. У зв'язку з нелінійністю J (U) вдалося спостерігати автоколивання струму в схемі з осередком.

Поліхроніді Н.Г., Кусова А.А. Електро-та магнітно-польова акумуляція електричного заряду в осередку з мж

Було проведено дослідження ефектів, супутніх дрейфу частинок дисперсної фази, порушеній плином мж типу магнетит в гасі щільністю 1,25 мг / м ³ та провідністю 100 ПСМ / м.
У ході експериментів прийшли до наступного висновку: тому Мж є спадковою системою, то при безперервному застосуванні чинного на неї фактора подальший стан залежить від попереднього, є нерівноважних, а рівновага може бути досягнуто з певним запізненням.
Звідси гістерезис, що залежить від темпу dU / dt нарощування поля при знятті ВАХ. Величина розщеплення ВАХ залежить від часу релаксації і плинності мж. Тому можливий такий підбор темпу, при якому розщеплення буде відсутній.
Акумуляція заряду в КЯ під дією ЕП на мж може бути пояснена рухом і концентрацією масивних комплексів і агрегатів, а також окремих частинок дисперсної фази поблизу електродів. Ці скупчення зберігаються протягом 10-70 с. При замиканні електродів на навантаження (вимірювальний прилад) спостерігається струм розрядки. Природа струму дифузійна. Механізм перебігу складний: усередині осередку він обумовлений дрейфом іонів, поза - дрейфом електронів, що утворюють в ланцюзі КЯ єдиний струм. Закон зміни струму задається процесом дифузії акумульованих заряджених частинок. Причиною ж акумуляції є електрофорез важких носіїв заряду.
Акумуляція заряду під дією МП на мж може бути пояснена як наслідок форез магнітних частинок під дією магнітної сили. Накопичення заряду можливо, якщо переміщувані частки мають адсорбованим зарядом або захоплюють в'язкісні механізмом інші заряджені мікрооб'єкти.
Була розроблена методика використання ВАХ і струмів розряду обох видів для розрахунку концентрацій і подвижностей носіїв.

I.2. Кожевников В.М., Ларіонов Ю.А. Анізотропія електропровідності дисперсних лінійних систем, наведена зовнішнім впливом

Щоб полідисперсності не спотворювала вимірювані в дослідах характеристики частинок, необхідно вимірювати анізотропію електропровідності дисперсних частинок, орієнтуючи їх полями різної напруженості.
Вектор ориентирующего поля спрямований по осі Z. Позначили зміна електропровідності дисперсної системи, викликане орієнтацією частинок вздовж осі Z, через бкII, а в напрямку, перпендикулярному осі - через бкI, де бкII = кII-к, бкI = Кi-к.
У тих випадках, коли електропровідності дисперсної системи великі, вплив ориентирующего поля призведе до її збільшення за рахунок джоулева тепла, що виділився при проходженні струму через дисперсну систему. Ці зміни можуть бути порівнянні з вимірюваними величинами бкII і бкI. Однак помилки при визначенні бкII і бкI в цьому випадку будуть однаковими, і різниця бк = бкII-КI виключає дану похибка, тому ця величина досліджувалася в даній роботі.
Експериментальні вимірювання бкII проводилися за допомогою кювети, що містить 4 зонда і 4 електроди. До електродів А і В підводилося впливає поле, уздовж осі АВ - направляли вектор МП, електроди С, Д - вимірювальні. 1-4 - зонди. В області зондів, відстані між якими значно менше, ніж між електродами, орієнтують і вимірювальні поля практично однорідні. За допомогою зондів 1 і 3 можна вимірювати відносну зміну електропровідності вздовж ориентирующего поля, а з допомогою зондів 2 і 4 - відносні зміни електропровідності в перпендикулярному напрямку, які пропорційні відносного зміни напруг U ₁₃ і U _24.
Результати дослідження анізотропії електропровідності мж від величини мж від величини МП, представлені на рис. 2 (де крива 1 знята для вихідної рідини, крива 2 - після впливу на рідину ЕП), підтвердили ефективність запропонованої методики дослідження.

Постановка завдання

Раніше було встановлено, що при пропусканні електричного струму через КЯ з мж в ній накопичується електричний заряд, який можна помітити при розряді КЯ на навантаження (самописець чи вимірювальний прилад). Як виявилося, розрядний струм підпорядковується експоненціальним законом і за величиною струму можна визначити електричну ємність осередки.
При дослідженні ВАХ був виявлений гістерезисна ефект, який можна пояснити інертністю протікання релаксаційних процесів у мж. Мж має здатність накопичувати заряд під дією ЕП, тому виникає запізнювання в зменшенні сили струму при зменшенні величини напруги, що подається на клітинку. Гістерезис спостерігається, якщо час релаксації мж перевищує або порівняти з періодом нарощування напруження. Якщо час релаксації багато менше періоду нарощування напруження, то ВАХ набуває лінійний характер.
При дослідженні залежності пікового значення різниці потенціалів на комірці від тривалості заряду мж було виявлено існування граничного напруження - ефект «насичення» - за величиною меншого, ніж напруга, що подається на осередок від джерела живлення.
У цьому дипломної роботі ставляться наступні завдання:
I. 1. Показати можливості переносу заряду теоретичним шляхом.
2. Дія ЕП на вільні заряди і електричні диполі.
3. Дія МП на магнітний заряд.
II. Зняття ВАХ в задається темпі нарощування напруження, що подається на КЯ, що нагрівається певної температури і спостереження за ходом кривої.
III. 1. З'ясування залежності пікового значення розрядного струму КЯ з мж при її заряді від тривалості заряджання, що заряджає напруги і температури мж в КЯ.
2. З'ясування впливу часу саморозряду осередки на хід кривої розрядного струму, на величину пікового значення розрядного струму, а також з'ясування впливу температури на час саморозряду (на хід кривої розрядного струму і на його пікове значення).
IV. З'ясування впливу МП в межах

на ВАХ КЯ і на криву розрядного струму.

РОЗДІЛ II. ДІЯ ПОЛІВ
НА СТРУКТУРНІ ЕЛЕМЕНТИ МАГНІТНОГО Колоїд

II.1.1. Дія ЕП на вільний заряд

Однією з неодмінних елементів мж є вільний електричний заряд спочатку вільний або з'явився з іонної атмосфери частки - дисперсної фази (міцели) в результаті дії будь-якого фактора. Одним з таких факторів може бути ЕП при пропущенні струму. Це поле легко руйнує оболонку еластично пов'язану з часткою, попередньо витягаючи міцел в диполь і відриваючи від неї іона, переводячи з розряду пов'язаних у вільні. Вільні електричні заряди при накладанні на мж ЕП схильні до дії цього поля.
Якщо ЕП викликане одним точковим зарядом q, величина напруженості поля виходить безпосередньо із закону Кулона шляхом ділення обох частин рівності на величину другого заряду:

.
Використовуючи закон Кулона у векторній формі запишемо напруженість ЕП точкового заряду також у векторній формі:

.
Якщо відома напруженість поля в будь-якій точці, то тим самим визначена і сила, діюча на електричний заряд, поміщений у цю точку. А саме:

;
Кулонівська сила

обумовлює потенційну енергію W цього поля

,
де j - потенціал поля в тій точці, де знаходиться в даний момент вільний заряд.

II.1.2. Дія ЕП на електричний диполь

Поряд з вільними зарядами в магнітному колоїді існують електричні диполі, утворені як результат деформації:
а) при прямому дії ЕП; б) при механічному русі в силу дії кулонівських і вязкостних сил.

-Q

+ Q

Знайдемо силу, що діє на диполь в ЕП, причому будемо вважати спочатку, що поле однорідне. На кінці диполя діють рівні по величині сили

. Ці сили спрямовані в протилежні сторони і утворюють пару сил. Момент M цієї пари дорівнює:

де a - кут між вектором

і напруженістю

поля. Величину

називають моментом диполя, який є вектором. Він спрямований також, як і

, Тобто від негативного заряду до позитивного.

.
Користуючись поняттям моменту диполя, можна написати вираз для моменту пари сил, що діє на диполь, у вигляді:

.
Напрямок моменту цієї пари збігається з напрямком осі обертання диполя, тобто перпендикулярно до

.
Або ж, використовуючи векторну алгебру, можна записати:

		315
, З	0	0	5	10	30	45	60
, А	18,64	2,86	2,2	1,54	0,99	0,6	0,002
, У	0,169	0,026	0,02	0,014	0,009	0,055	0,002
, З	35	14	23	24	24	24,5	37
	6,52	0,4	0,5	0,36	0,23	0,15	0,007

Рис. IV.4.6. Залежність часу релаксації від температури при незмінному часу саморозряду

T, К

t, з

293

273

315

Рис. IV.4.7. Залежність заряду, накопиченого осередком
від температури при const часу саморозряду

T, К

q × 10 ^-4, Кл

303

313

120

t _сер = 10 с

6. Проведено зіставлення кривих розряду і саморозряду.
З великим ступенем точності часи

для всіх кривих залишкового саморозряду збігаються Облік.

при

накладення max значень струмів залишкового розряду на криву повного розряду дозволяє провести зіставлення механізмів розряду і саморозряду на зовнішній опір. З рис. IV.4.7 видно, що всі крапки max значень струмів залишкового розряду задовільно лягають на криву розряду, не піддалося саморазряду. Це можна розуміти як збіг механізм розряду і саморозряду, тобто механізм останнього також є дифузійним.
IV.

0,1

100

t _ср, з

1: t _{c р} = 0 з
2: t _{c р} = 5 з
3: t _{c р} = 10 с
4: t _{c р} = 60 с
5: t _{c р} = 90 з
6: t _{c р} = 150 з
7: t _{c р} = 180 с

I _mp

0,2

200

5 Вплив МП на провідність мж

Припустимо, що на провідність (опір) мж має діяти МП, тому що Мж є рідиною намагнічується. Елементарними структурами, що забезпечують це властивість є магнітні диполі, що володіють електричним зарядом, носіями яких є дисперговані частки магнетика

. Але для цього диполі повинні брати участь в провідності, а це можливо, якщо вони мають електр. заряд. Оскільки на диполі дію МП далеко, то двояко і дію МП на опір, причому можна очікувати, що обидві компоненти руху диполя змінюється. І його поступальна компонента ефективніше подіє на рухливість, тому що обертальна частина нетривала. Обертання виникає і в ЗМУ і в ІМП, а поступальний можливо тільки в ІМП.
Перевірити вплив ІМП на провідність мж можна наступним чином.
1. Вимірювання опору мостом спочатку поза полем, а потім у ІМП та результати порівняти. Досвід показав відсутність розбіжності

Н = 0	R = 0,39 Мом
H ₁ = 10 мТл	R = 0,39 Мом
Н ₁ = 20 мТл	R = 0,39 Мом
Н ₂ = 10 мТл	R = 0,39 Мом
Н ₂ = 20 мТл	R = 0,39 Мом

2. Подати на клітинку напругу і записувати графопостроителем.

t, з

I, mА

III

= 0

= 10 ^-3

= 0

Оскільки R = const, то Графобудівник викреслює пряму лінію, паралельну осі абсцис.
3. Перевірити вплив ІМП на струм розрядки при акумуляції заряду в КЯ з мж.
Були отримані наступні результати
2. На всьому протязі ВАХ поперечне МП (рис.) не робить замішаного дії на дрейф носіїв. Це може означати, що при використаних полях і порівняно малих швидкостях сила Лоренца

, Діюча компланарних, тобто

паралельно електродом, не відволікає навіть частинки носіїв з потоку, зважаючи на порівняно великого перерізу S осередки. Продовжене полі зовсім не діє на носії, тому що

тому що

.
Замінити у нашій методиці вплив МП на струм через вплив на магнітні диполі можна, якщо:
а) магнітні диполі мають заряд;
б) МП паралельно швидкості

;

в) МП неоднорідне, а градієнт індукції також паралельний або антипаралель швидкості (

, Див. рис.)
В експерименті прямої дії МП на струм через мж не виявлено
3. Якщо КЯ з мж помістити в ІМП так, що

, А

, Але між електродами виникає різниця потенціалів. Це можна пояснити так: магнітні диполі, поміщені в ІМП, що втручаються в область сильного поля, тому що вони попередньо розгорнулися по полю. Якщо на їх оболонках є нескомпенсованих заряди електрики, то в КЯ виникає неравновесность ел.заряда з градієнтом потенціалу

, Зв'язків з

, Де

- Поле, обумовлене магнітофорезом, а

- Об'ємна щільність електричного заряду.
Під час досліду постійний магніт або підносили під КЯ, або ставилося зверху. При цьому осередок повинна бути виключена. Перед розрядом магніт повільно прибирається на достатню відстань, а потім КЯ включається на навантаження.
1) Перш за все було встановлено, що величина

сильно залежить від часу витримки осередки в полі, але чіткої закономірності відмічено не було (рис. 10, 11)
2) розмірність розрядного струму незалежно від напрямку індукції МП в осередку не змінювалася.
Всі отримані результати призвели до висновку:
1. Розрядний струм КЯ, зарядженої під дією ІМП аналогічний разрядному току після пропускання через КЯ постійного струму.
2. Напрямок розрядного струму КЯ, зарядженої ІМП не залежить від напрямку ІМП.

Рис. 10. Залежність максимального розрядного струму
від часу витримки осередки в МП

t, з

I, mА

Узагальнюючи результати, можна сказати, що МП не впливає на акумуляцію заряду в КЯ, тому що можливо, що мж не містить магнітних диполів, що володіють нескомпенсованих зарядом, або їх концентрація мала.

Рис. 11

t, з

I _mp, mА

Висновок

1. 1. Підтвердилася залежність форми ВАХ від темпу навантаження комірки при постійній напрузі харчування: чим більше

, Тим менше велика піввісь ВАХ
і визначена незалежність

від

(При

).
2. Не підтвердилася залежність форми ВАХ від температури;
і визначена

- Зі зростанням температури

зростає.
3. Залежність

від

(

) Наступна: чим більше

, Тим більше

від

(

): Чим більше

, Тим більше

.
4. Залежність

від

виявилося наступна:

збільшується із зростанням температури незначно.
2. Досліджено залежність акумуляції заряду в КЯ від зарядного напруги і часу саморозряду
1. Підтвердилася залежність акумульованого електричного заряду від

: Чим більше

, Тим більший заряд накопичується в осередку.
2. досліджено хід саморозряду та визначено його механізм в залежності від часу саморозряду.
3. Зіставлять пікове значення струму саморозряду з ходом розряду КЯ на навантаження.
3. Досліджено акумуляція заряду при зміні температури
1. Зіставлено криві

при різних Т ( ) З кривою

при кімнатній температурі: із зростанням температури

зменшується, осередок швидше розряджається.
4. Дія МП на ВАХ та акумуляцію:
1. дію однорідного МП в межах 0 - 0,4 Тл не було виявлено
2. дію неоднорідного МП в межах 0 - 0,15 Тл не було виявлено.

ЛІТЕРАТУРА

1. Актинії А.А. та ін Про стійкість магнітних рідин до впливу підвищених температур / Фізико-хімічні і прикладні проблеми мж: збірник наукових праць / Ставрополь, СГУ 1997
2. Зубко В.І. та ін Вплив умов отримання мж на її електрофізичні властивості / Фізико-хімічні і прикладні проблеми мж: збірник наукових праць / Ставрополь, СГУ 1997
3. Кожевников В.М. Анізатронія електропровідності дисперсних лінійних систем, наведена зовнішнім впливом / Фізико-хімічні і прикладні проблеми мж: збірник наукових праць / Ставрополь, СГУ 1997
4. Арцимович А.А. Рух заряджених частинок в електричному і магнітному полях. - М.: Наука, 1972.
5. Бронштейн І.І. Довідник з вищої математики. - М.: Физматгиз, 1981.
6. Дзаразова Т.П. Практична фізика.: Навчальний посібник. - Ставрополь СГПУ, 1994р.
7. Калашников С.Т. Електрика. - М.: Наука, 1977 р.
8. Основні формули фізики під ред. Мензела Д.М.: АБО, 1957р.
9. Поліхроніді І.Т. Електро-та магнітополевая акумуляція електричного заряду в осередку з мж. Проблеми фізико-математичних наук: Матеріали XLIII науково-методичної конференції викладачів і студентів «Університетська наука-регіону». - Ставрополь: СГУ, 1998 р.
10. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики, т.3. Електрика. - М.: Наука, 1977 р.
11. Тамм І.Є. Основи теорії електрики. - М.: Наука, 1976 р.
12. Фершман В.Є. Магнітні рідини. Мінськ «Вища школа», 1998.
13. Чеканов В.В. та ін Накопичення заряду в електрофореніч. осередку з мж. Проблеми фізико-математичних наук: Матеріали XLIII науково-методичної конференції викладачів і студентів «Університетська наука-регіону». - Ставрополь: СГУ, 1998 р.

Т, К	294			305			315
t, з	45	14	2,5	45	14	2,5	45	14	2,5
U ^, В / с*	0,44	1,42	8	0,44	1,42	8	0,44	1,42	8
U ^0, В	0,025	0,02	0,19	0,075	0,07	0,02	0,044	0,036	0,21
I ⁰ '10 ^-7, А	2	0,83	1,18	4,01	1,0	2,0	2,62	2,06	2,5
s '10 ^-10	5,2	5,39	0,1	6,95	6,85	1,3	7,74	7,44	1,54

U _зар, У	5	8	13
I _mp '10 ^-8 A	76,85	83,52	88,74
U _mp, У	0,331	0,36	0,383
t, з	240	245	258,75
Q '10 ^-4 Кл	1,84	2,04	2,29
R '10 ¹⁰ Ом	2,47	2,61	2,9

t _ср , C	0	5	10	30	60	90	120
I _mp '10 ^-8 А	82,07	72,5	67,88	53,36	34,22	32	27,3
U _mp, У	0,354	0,313	0,293	0,23	0,148	0,138	0,12
t, з	248,75	278,75	310	315	322,5	326,3	351,25
Q '10 ^-4 Кл	2,04	2,02	2,01	1,69	1,1	1,04	0,9
R '10 ⁴ Ом	43,6	43,21	43,23	42,9	43,4	43,28	46,8

		294
, З	0	5	10	30	45
, А	18,64	7,7	6,27	4,29	3,08
, У	0,169	0,07	0,057	0,039	0,028
, З	35	62	74	93,5	110
	6,52	4,77	4,64	4,01	3,38

		305
, З	0	0	5	10	30	45	60
, А	18,64	17,71	14,80	14,08	12,49	2,97	2,42
, У	0,169	0,161	0,134	0,128	0,114	0,027	0,022
, З	35	34	31,5	30,5	29	101,5	11,3
	6,52	6,02	4,66	4,29	3,62	3,02	2,69