Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

2307 справедлива для очень малых концентраций, когда можно считать возмущения, вносимые отдельной частицей, несущественными для условий обтекания других частиц. Чтобы быть точным, надо увеличить диаметр каждой сферы на удвоенную толщину адсорбционного слоя. Тогда объем каждой частицы будет равен У» = я(Ш + 26)~/6. Соответственно увеличится в формуле Эйнштейна и объем, занимаемый сферическими частицами. С увеличением концентрации частиц их влияние на вязкость коллоида растет. Имеются формулы, учитывающие присутствие множества частиц. Ыазовем такое увеличение вязкости коллоидного раствора по сравнению- с вязкостью жидкой основы концентрационной вязкостью.

Все наши рассуждения не были связаны пока с магнитными свойствами частиц и справедливы для любых невзаимодействующих сфер. В действительности каждая сферическая частица обладает магнитным моментом т = = Ы~Ми/6. Если температура жидкости намного ниже температуры Кюри, при которой самопроизвольная намагниченность исчезает, то внешнее магнитное поле увеличивает вязкость, воздействуя на магнитные моменты. Покажем, как это происходит.

Мы уже знаем, что при сдвиговом течении твердая частица свободно «катится» в жидкости. Вместе с нею вращается и ее магнитный момент. Магнитное поле стремится удержать момент частицы, как толька он начинает отклоняться от направления силовых линий. «Заторможенная» частица задерживает обтекающие ее струйки жидкости, и нужно увеличить внешнюю силу, чтобы уравновесить это сопротивление. В результа- 147 те диссипация энергии растет, что эквивалентно увеличению вязкости системы. Эту добавку называют вращательной вязкостью. Она появляется, разумеется, лишь в тех случаях, когда магнитный момент связан с телом частицы. Есть еще одно обстоятельство, подлежащее учету: магнитные моменты могут взаимодействовать и друг с другом.

Напомним, что магнитное взаимодействие между двумя взвешенными частицами пропорционально объему частиц, и, следовательно, всегда можно добиться отсутствия связанных аколлективовэ, уменьшая размеры частиц. Тем не менее в сильных магнитных полях (пН>>ЙТ) частицы вынуждены выстраиваться в шеренги, параллельные полю.

Когда частиц в жидкости так много, что они практически касаются друг друга, тепловое движение не в состоянии разбросать их на большие расстояния. Взаимодействие между магнитными моментами частиц в высококонцентрированных жидкостях должно также сказываться на вязкости. Представьте себе, что отдельные слои в рассмотренной ранее жидкой призме «сшиты» нитями из магнитного материала. Тогда, кроме трения слоев друг о друга, нужно преодолеть сопротивление постепенно растягивающихся нитей. Таков третий механизм, увеличивающий аффективную вязкость магнитных жидкостей. Используя слово «эффективная», мы хотим подчеркнуть, что коэффициент сдвиговой вязкости, введенный около 300 лет назад, относился только к трению слоев жидкости при сдвиговом течении.

Теперь же обсуждаются иные механизмы увеличения внутреннего трения, повышающие частицы возрастает и так называемая гидро- динамическая концентрация «р» в 2 — 2,5 раза превышает ««. Теперь становится понятным сильное влияние поля соседних частиц на эффективную вязкость при «р .» 0,2. Переходя к гидродинамической концентрации, получаем «р» ж 0,50, т. е. мы приближаемся к максимально возможной концентрации, когда сферы плотно упакованы и касаются друг друга: «рв = 0,74.

Никакой жидкости, правда, при этом не существует, и вязкость такой системы будем считать бесконечно большой величиной. Следовательно, в высококонцентрированных магнитных жидкостях частицы ~стесненыэ своими соседями, и взаимодействие их магнитных моментов начинает сказываться на внутреннем трении даже в отсутствие внешнего поля. Так что, стремясь получить жидкость с сильными магнитными свойствами, мы одновременно будем увеличивать вязкость такой системы по сравнению с жидкой основой. Таково влияние сил вязкости на процессы переноса жидких объемов в текущей жидкости.

Другой, не менее важный процесс переноса, происходящий без видимого перемещения вещества, связан с передачей тепла от нагретой части тела к холодной. Этот процесс называют теплппрпводипстью. Нельзя сказать, что движения здесь совсем нет. Только происходит оно на молекулярном уровне: более «горячие» молекулы (это более быстрые частицы) расталкивают своих менее подвижных соседей, передавая им энергию молекулярного движения, среднее значение которой и называют теплотой. В неподвижных внешне жидкостях происходит, таким образом, перенос тепла во всех участках, где существует неоднородность температуры. Французский математик и физик Жан Батист Фурье еще в Х1Х в.

установил, что количество теплоты д, проходяаее через площадку в 1 м' за секунду, пропорционально перепаду температуры ЛТ, отнесенному к длине Ьг — пути продвижения теплоты в направлении я, перпендикулярном к этой площадке: ЬТ Д = А —. Ьл Коэффициент пропорциональности А называется коэффициентом теплппровпдиости. Эта характеристика жидкости чрезвычайно важна при расчете количества передаваемого тепла в самых разнообразных процессах и аппаратах, например в химических производствах, металлургии, на тепловых станциях, словом, всюду, где происходит нагрев.

Для магнитных жидкостей, образованных жидкими компонентами и твердой фазой, коэффициент теплопроводности зависит от коэффициентов теплопроводности жидкой фазы и магнитного материала, а также от количества этого материала, определяемого концентрацией ~. Влиянием магнитного подя на коэффициент теплопроводности в технических расчетах можно пренебречь. Дело в том, что упорядочение магнитных частиц в поле не может повлиять на предпочтительный перенос тепла по цепочкам частиц, поскольку каждая из них облачена в защитную покрышку из поверхностно-активного вещества, теплопроводность которого того же порядка, что и теплопровод- ВОСТЬ ЖИДКОГО НОСИТЕЛЯ, Такой же результат получается, если измерять электрическую проводимость магнитной оводимость керосина и ОН 8 ВСЮ Ж6 НЗ ДЕСЯТЬ чем электрическая пр олеиновой кислоты.

Но порядков ( в 10'о раз) хуже, чем у магнетита. Значит, перенос заряда происходит в основном по жидкой матрице! Тогда, увеличивая концентрацию магнитного материала в жидкости, мы будем увеличивать количество дипольных молекул поверхностно-активного вещества, заряженные концы которых собирают вокруг себя ионы противоположного знака. Эти ионы могут отрываться под действием электрического поля и двигаться к электродам. Опыты показали, однако, что удельная проводимость возрастает при росте концентрации только до определенной величины (~рт0,12), а потом убывает. Такой же характер зависимости наблюдается для электрической проводимости 152 жидкости.

Оказывается, что электрическая проводимость практически не зависит от магнитного поля, направленного либо параллельно, либо перпендикулярно к току в измерительной ячейке. Напомним, что удельная электрическая проводимость раствора есть количество электричества, переносимое через площадку в 1 м' в течение секунды при разности электрических потенциалов ! В на длине 1 м. Носителями зарядов в жидкости, начиненной магнит- НЫМИ ЧЗСТИЦЗМИ, ЯВЛЯЮТСЯ ИОНЫ 060ИХ ЗНЗКОВ. Конечно, присутствие множества мельчайших частичек материала, который проводит электрический ток гораздо лучше, чем жидкая основа, ухудшает диэлектрические свойства магнитной жидкости.

Например, электрическая проводимость магнитной жидкости на основе керосина (магнетит стабилизирован олеиновой кислотой) на три порядка ( в 1000 раз) выше, растворов электролитов. Там действует правило: электрическая проводимость электролита ВЗВисит как От числа КОКОВ в единичном Объеме, так и от их подвижности. Не будем заниматься попытками точно определить «подвижность> ионов, скажем только, что это характерная скорость движения ионов в электрическом поле единичной напряженности. При высоких концентрациях электрическая проводимость электролитов уменьшается из-за того, что противоположно заряженные ионы начинают притягиваться и подвижность их падает.

Почему бы не применить эти выводы к магнитным жидкостям? Здесь тоже, начиная с некоторых концентраций, заряженные «шубы» своими электрическими полями могут затруднять продвижение между ними ионов и, таким образом, уменьшать электрическую проводимость. Действительно, с приближением к плотной упаковке сфер «тропинки», по которым могут перемещаться заряды, становятся все уже и извилистей. К тому же каждая частица создает невидимую, но чувствительную преграду. Большинство других физических свойств магнитных жидкостей подчиняется так называемому правилу смешения, когда складываются произведения объемной доли каждого из компонентов магнитной жидкости на присущую ей величину характеристики.

Например, для плотности (массы единичного объема жидкости) справедливо соотношение очень сильных полях. Следовательно, при определении концентрации по измерениям намагниченности в числитель мы подставляем заниженное значение М . УЧТЕМ ЫЕВИДИМРЕ Мы уже обсуждали понятие модели на примере расчета энергии молекулы водорода и выяснили, что структура модели выбирается, исходя из тех деталей физической системы, которые считаются основными в данном приближении.

Характеристики

Список файлов книги