CC BY
23
^ 28/2001
|| Вестник Ставропольского государственного университета
СТРВАШ АСПИРАНТОВ У СОШТЕАЕП
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С МЕЛКОДИСПЕРСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Ю.Л. Смерек
THE CONDUCTIVITY OF MAGNETIC LIQUID WITH FINE-DISPERSION FILLER IN MAGNETIC FIELD
J.L. Smerek
The research results of investigation of magnetic liquid electric features with fine-dispersion conducting non-magnetic filler (graphite powder) are represented. Anisotropy of conductivity of the investigated medium under the magnetic field effect has been discovered.
В работе представлены результаты исследования электрических свойств магнитной жидкости с мелкодисперсным проводящим немагнитным наполнителем (графитовая пыль). Обнаружена анизотропия электропроводимости исследуемой среды под воздействием магнитного поля.
УДК 537.3:541.182.4/6
Исследованию электропроводности мелкодисперсных магнитных коллоидов в магнитных полях уделялось внимание многими исследователями. Однако, ожидаемого существенного изменения проводимости в результате воздействия на такие системы магнитного поля до настоящего времени обнаружено не было [1]. В настоящей работе приводятся результаты исследований магнитных жидкостей с мелкодисперсным наполнителем - ансамблем проводящих частиц микронных размеров. В случае воздействия магнитного поля на такую композиционную среду, вследствие намагничивания магнитной жидкости, омывающей немагнитные включения, последние могут рассматриваться как «диамагнитные» частицы, имеющие магнитные моменты, направленные противоположно полю. Магнитный момент немагнитной частицы, помещенной в магнитную жидкость, находящуюся в магнитном поле, может быть найден при рассмотрении магнитостатической задачи, аналогичной электростатической для диэлектрического эллипсоида [2]. В этом случае для проекций магнитного момента эллипсоидальной дырки в неограниченном объеме магнитной жидкости нетрудно получить:
m = —
XV
my =-
1 + X-Xn 2%V
H ,
—H„
где x
I + x + Xn магнитная восприимчивость маг-
нитной жидкости, Hх и H - проекции маг-
Смерек Ю.Л.
«Электрическая проводимость магнитной жидкости с мелкодисперсным наполнителем...»
магнитного поля на оси анизотропии формы частицы, п - параметр, играющий роль размагничивающего фактора вдоль большой полуоси частицы (вдоль оси X), К- ее объем.
Наличие магнитных моментов у «магнитных дырок» анизотропной формы приводит к возникновению вращающего момента, действующего на произвольно расположенную по отношению к направлению магнитного поля частицу, при этом модуль механического момента, определяемый как Кт = ц0 | [тН] | может быть представлен в виде:
3п -1
X
-8т2ф ,
Кт = Ц 0 т5Н „ „
2 2 + X + Хп где Н - модуль напряженности магнитного поля, ф - угол между направлением напряженности магнитного поля и большой осью частицы, т0 - магнитный момент частицы в момент, когда направление поля совпадает с большой осью частицы. Таким образом, наличие магнитных моментов у помещенных в магнитную жидкость, подверженную действию магнитного поля, немагнитных включений приводит к их ориентации большой по-
Я, 106 Ом
А Я Я
О
10
20
0,2
0,15
0,1
0,05
0
30 с, %
Рис. 1. Зависимость сопротивления слоя магнитной жидкости (1) и относительной разности сопротивлений в случае перпендикулярных и сонаправленных электрического и магнитного полей (2) от объемного содержания дисперсного наполнителя.
луосью вдоль направления поля (в случае частиц анизотропной формы), кроме того, как показано в [3], вследствие их взаимодействия, они могут объединяться, образуя цепочечные структуры.
Эти процессы должны приводить к возникновению анизотропии различных физических свойств таких сред, в частности их электрической проводимости. С целью проверки этого предположения были проведены исследования сопротивления слоя магнитной жидкости с дисперсным проводящим наполнителем. Для исследования электрического сопротивления использовалась стандартная измерительная ячейка с плоскими круглыми электродами, с зазором между ними 2 мм. После заполнения ячейки исследуемой средой, она помещалась в намагничивающую систему, позволяющую получать однородное магнитное поле напряженностью до 10 кА/м. В качестве немагнитного проводящего наполнителя использовалась графитовая пыль, при этом средний размер графитовых частиц составлял около 6 мкм. Сопротивление слоя магнитной жидкости, находящегося между электродами ячейки, измерялось с помощью цифрового омметра типа Щ34, кроме того, исследовались вольт-амперные характеристики этого слоя.
В результате проведенных исследований было установлено, что электрическое сопротивление магнитной жидкости при добавлении в нее дисперсных проводящих частиц увеличивается пропорционально их объемному содержанию (рис. 1, кривая 1). Как и следовало ожидать, электрическая проводимость исследованной магнитной жидкости с проводящим дисперсным наполнителем существенным образом зависит от величины и направления (по отношению к направлению линий тока) магнитного поля. Как видно из рисунка 2, сопротивление слоя исследованной магнитной жидкости увеличивается при повышении напряженности магнитного поля в случае его ориентации перпендикулярно напряженности электрического поля (линиям тока) и уменьшается, когда направления магнитного и электрического полей совпадают (кривые 1 и 2 соответственно). При этом раз-
28/2001
Вестник Ставропольского государственного университета
ность между значениями сопротивления в случае, когда электрическое и магнитное поля перпендикулярны и сонаправлены, определяется величиной объемного содержания немагнитных проводящих включений и может достигать 20% (рис.1, кривая 2). Зависимость электропроводности исследуемой среды от величины и направления магнитного поля подтверждается и результатами исследования ее вольт-амперных характеристик, представленных на рисунке 3, где кривые 1 и 3 получены в магнитном поле, напряженность которого направлена параллельно и перпендикулярно линиям тока соответственно, кривая 2 получена при отсутствии магнитного поля. Как уже было указано, сопротивление слоя магнитной жидкости при добавлении в нее графитовых частиц увеличивается. По-видимому, это связано с образованием на их поверхности слабо проводящего слоя, так что они оказываются изолированными друг от друга. При этом, будучи проводящими, в электрическом поле они приобретают электрический момент, выражение для которого, в случае формы частицы близкой к эллипсоидальной может быть записано, согласно [2] в виде:
I, 10-6
Я, 106 Ом
30
и, в
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики магнитной жидкости с мелкодисперсным графитовым наполнителем: 1 - напряженность магнитного поля Н параллельна линиям тока, 2 - магнитное поле отсутствует, 3 - Н перпендикулярно линиям тока. (В обоих случаях Н= 10,7кА/м).
Н кА/м
Рис. 2. Зависимость сопротивления слоя магнитной жидкости от величины и направления магнитного поля: 1- вектор напряженности магнитного поля Н перпендикулярен напряженности
электрического поля Е, 2 - Н || Е.
* = ^
Пх
где пх - деполяризующий фактор частицы
вдоль оси, совпадающей с направлением поля. Действие магнитного поля приводит к объединению частиц в цепочечные агрегаты и ориентации их определенным образом относительно направления электрического поля. В частности, в случае ориентации больших осей частиц вдоль электрического поля и образования цепочек их электрические моменты увеличиваются за счет уменьшения деполяризующего фактора, что приводит к увеличению электрического момента всего слоя композиционной магнитной жидкости. В результате этого, емкость плоского конденсатора, заполненного исследуемой средой также увеличивается (рис. 4, кривая 1). Напротив, действие магнитного поля направленного перпендикулярно электрическому полю (вдоль плоскостей конденсатора) приводит к уменьшению его емкости при увеличении напряженности магнитного поля (рис. 4, кривая 2). Очевидно, изменение емкости конденсатора, заполненного магнитной жидкостью с дисперсным графитовым наполнителем можно связать с изменением ее эффективной диэлектрической про-
Смерек Ю.Л. ЯШ
«Электрическая проводимость магнитной жидкости с мелкодисперсным наполнителем.» | ■
ницаемости при воздействии магнитного поля.
С, пФ
Рис. 4. Зависимость емкости измерительной ячейки, заполненной магнитной жидкостью с мелкодисперсным графитовым наполнителем, от напряженности магнитного поля Н; 1-Н||Е,2- Н±Е.
Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать, что вследствие ориентации немагнитных частиц, помещенных в магнитную жидкость, их взаимодействия и образования в результате этого
структурной анизотропии, электрическая проводимость таких магнитных жидкостей становится зависимой от величины и направления магнитного поля. Это указывает на возможность управления электрическими свойствами магнитных жидкостей с мелкодисперсным наполнителем с помощью магнитного поля, что может найти применение в приборостроении и технике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. -Минск: Вышейшая школа, 1988. - 184 с.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. -М.: Наука. - 1982. 623 с.
3. Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А. О.. Магнитные жидкости. - Рига: Зинатне, 1989. -386 с.
ООО
Смерек Юлия Леонтьевна, аспирантка кафедры общей физики Ставропольского государственного университета. Область научных интересов - электрофизика магнитных жидкостей.
