Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 01.04.07 – Физика конденсированного
состояния. — Северо-Кавказский государственный технический
университет. — Ставрополь, 2010. — 34 с.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кожевников
В.М.
Целью работы является установление взаимосвязи
механизмов деформации, потери устойчивости и распада на отдельные
фрагменты капель магнитной жидкости в магнитном и электрическом
полях с процессами структурообразования твердой фазы в
приповерхностном слое капель.
Научная новизна:
Впервые дан теоретический анализ и проведены экспериментальные исследования динамики изменения формы капли магнитной жидкости при одновременном воздействии на нее стационарных магнитного и электрического полей. Показано, что капля МЖ как в электрическом, так и в магнитном поле до определенных напряженностей принимает форму, близкую к вытянутому вдоль направления поля эллипсоиду вращения. Установлено увеличение деформации капли при совпадении направлений электрического и магнитного полей и достижение компенсации деформации, если поля направлены ортогонально. Обнаружено, что в электрическом поле критической напряженности капля МЖ теряет устойчивость, которая выражается в заострении концов капли и отделении от них дочерних капель. Оценено влияние коллинеарного и ортогонального магнитных полей на критическую напряженность электрического поля.
Обнаружено изменение формы капли, характера движения и порога устойчивости капли МЖ во вращающемся магнитном поле при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) поля, приводящее к переходу вращательного движения в колебательное относительно вектора напряженности электрического (магнитного) поля. Определено соотношение напряженностей полей при критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное.
Изучено взаимодействие капель МЖ, сформированных в агрегат, в зависимости от взаимных направлений и напряженностей электрического, магнитного полей, а также оси агрегата. Показано, что при изменении напряженностей и ориентации внешних полей капли могут как притягиваться, так и расталкиваться.
Рассмотрено влияние структурной организации дисперсной фазы приповерхностного слоя капли МЖ в электрическом поле на ее деформацию. Систематизированы типы структурных образований и их трансформация в зависимости от величины, времени воздействия приложенного напряжения и толщины слоя МЖ, выявлены новые динамические структуры в виде вращающихся колец, вихрей, «больших» лабиринтов размером до 5 мм.
Впервые исследованы автоколебания постоянного напряжения на электродах ячейки со слоем МЖ, возникающие при протекании в ней постоянного тока, задаваемого внешним источником тока. Показано, что возникновение и прекращение автоколебаний сопровождается изменением структурной организации приповерхностного слоя.
Установлено, что слой магнитной жидкости при наличии в нем структурных образований представляет как в постоянном, так и в низкочастотном переменном электрическом поле активную нелинейную среду, свойства которой зависят от толщины слоя; при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного электрических полей он может проявлять свойства как линейного, так и нелинейного элемента в зависимости от величины постоянного напряжения, амплитуды и частоты переменного напряжения.
Обнаружены особенности электрофизических свойств структурированного слоя МЖ, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного напряжений может принимать отрицательное значение.
Экспериментально получены данные по поверхностному натяжению магнитных жидкостей и обнаружено, что коэффициент поверхностного натяжения МЖ зависит от их химического состава, концентрации твердой фазы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н ≤ 10 кА/м.
Проведены оценки формы и объема свободной невесомой капли, а также капли, истекающей из отверстия, в магнитном поле, получены количественные оценки отклонения формы свободной капли от эллипсоида вращения, обнаружено изменение объема истекающей из отверстия капли МЖ при изменении напряженности воздействующего магнитного поля.
При использовании слоя магнитной жидкости в качестве активного ди-электрика емкостного элемента последовательного колебательного контура показана возможность управления резонансным током и добротностью контура путем изменения напряженности постоянного электрического или магнитного полей.
Разработан электрический способ диспергирования МЖ, позволяющий синтезировать эмульсии на основе магнитной жидкости с высокой концентрацией дисперсной фазы и, таким образом, повысить чувствительность эмульсии к магнитному полю. Оптимизирован состав магнитных эмульсий, использующихся в технике магнитной записи и дефектоскопии.
Научная новизна:
Впервые дан теоретический анализ и проведены экспериментальные исследования динамики изменения формы капли магнитной жидкости при одновременном воздействии на нее стационарных магнитного и электрического полей. Показано, что капля МЖ как в электрическом, так и в магнитном поле до определенных напряженностей принимает форму, близкую к вытянутому вдоль направления поля эллипсоиду вращения. Установлено увеличение деформации капли при совпадении направлений электрического и магнитного полей и достижение компенсации деформации, если поля направлены ортогонально. Обнаружено, что в электрическом поле критической напряженности капля МЖ теряет устойчивость, которая выражается в заострении концов капли и отделении от них дочерних капель. Оценено влияние коллинеарного и ортогонального магнитных полей на критическую напряженность электрического поля.
Обнаружено изменение формы капли, характера движения и порога устойчивости капли МЖ во вращающемся магнитном поле при дополнительном воздействии стационарного электрического (магнитного) поля, приводящее к переходу вращательного движения в колебательное относительно вектора напряженности электрического (магнитного) поля. Определено соотношение напряженностей полей при критическом переходе вращательного движения капли магнитной жидкости в колебательное.
Изучено взаимодействие капель МЖ, сформированных в агрегат, в зависимости от взаимных направлений и напряженностей электрического, магнитного полей, а также оси агрегата. Показано, что при изменении напряженностей и ориентации внешних полей капли могут как притягиваться, так и расталкиваться.
Рассмотрено влияние структурной организации дисперсной фазы приповерхностного слоя капли МЖ в электрическом поле на ее деформацию. Систематизированы типы структурных образований и их трансформация в зависимости от величины, времени воздействия приложенного напряжения и толщины слоя МЖ, выявлены новые динамические структуры в виде вращающихся колец, вихрей, «больших» лабиринтов размером до 5 мм.
Впервые исследованы автоколебания постоянного напряжения на электродах ячейки со слоем МЖ, возникающие при протекании в ней постоянного тока, задаваемого внешним источником тока. Показано, что возникновение и прекращение автоколебаний сопровождается изменением структурной организации приповерхностного слоя.
Установлено, что слой магнитной жидкости при наличии в нем структурных образований представляет как в постоянном, так и в низкочастотном переменном электрическом поле активную нелинейную среду, свойства которой зависят от толщины слоя; при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного электрических полей он может проявлять свойства как линейного, так и нелинейного элемента в зависимости от величины постоянного напряжения, амплитуды и частоты переменного напряжения.
Обнаружены особенности электрофизических свойств структурированного слоя МЖ, заключающиеся в том, что действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости в слое при одновременном воздействии постоянного и переменного низкочастотного напряжений может принимать отрицательное значение.
Экспериментально получены данные по поверхностному натяжению магнитных жидкостей и обнаружено, что коэффициент поверхностного натяжения МЖ зависит от их химического состава, концентрации твердой фазы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н ≤ 10 кА/м.
Проведены оценки формы и объема свободной невесомой капли, а также капли, истекающей из отверстия, в магнитном поле, получены количественные оценки отклонения формы свободной капли от эллипсоида вращения, обнаружено изменение объема истекающей из отверстия капли МЖ при изменении напряженности воздействующего магнитного поля.
При использовании слоя магнитной жидкости в качестве активного ди-электрика емкостного элемента последовательного колебательного контура показана возможность управления резонансным током и добротностью контура путем изменения напряженности постоянного электрического или магнитного полей.
Разработан электрический способ диспергирования МЖ, позволяющий синтезировать эмульсии на основе магнитной жидкости с высокой концентрацией дисперсной фазы и, таким образом, повысить чувствительность эмульсии к магнитному полю. Оптимизирован состав магнитных эмульсий, использующихся в технике магнитной записи и дефектоскопии.