В.Е. Фертман - Магнитные жидкости (1163283), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Поверхностно-активное вещество (напрнмер, олеиновая кислота) обычно также органическая жидкость, имеющая химическое сродство к основе и близкие с ней значения подвижности носителей заряда и их концентрации. Так как в качественно приготовленной магнитной жидкости все твердые частицы окружены слоем ПАВ, то объемная проводимость магнитной жидкости должна определяться, по-видимому, концентрацией носителей заряда и их подвижностью в жидкой фазе. В многочисленных экспериментах не было зарегист- го ю в и Ц рировано существенного влияния магнитного поля, направленного либо параллельно, либо перпендикулярно к постоянному току, проходящему по измерительной ячейке, на электрическую проводимость магнитной жидкости. Типичные вольт-амперные характеристики качественно приготовленных магнетитовых магнитных жидкостей на основе керосина, снятые без магнитного поля, приведены на рис.
2.10. Светлые кружки означают данные, полученные на жидкости с умеренной концентрацией дисперсной фазы (ч=0,08), зачерненныс — на высоко- концентрированной жидкости (<р = О,З) . Качест- хл венной считалась жид- 7 кость, коллоидные частицы Ге,О, которой пять раз отмывалнсь дистиллированной водой после соосаждения (см. 9 1 4). Для этих жидкостей в исследованном диапазоне концентраций <р=Π— 0,3, начиная с напряженности Е=2,5 кВ/м, вольт-ампер- Рис. 2.10 ные характеристики становились линейными.
По их углу наклона рассчитывалась удельная электрическая проводимость. Удельная проводимость исследованных магнитных згидкостей зависела от объемной концентрации магнети~а немоиотонным образом (рис. 2.11), В области 0(гГ~~ -.-0.09 проводимость росла с увеличением концентрации иагнитных частиц, а в области высоких концентраций (~Г)0,16) — падала. Стрелки на рисунке проведены аежду значениями удельной проводимости образцов кидкости, концентрация твердой фазы в которых посте~евно уменьшалась при разбавлении одного и того же )бразца.
Зачернеииыми кружкамп нанесены данные, по~ученные Г. Э. Кроикалнсом (1977). Наблюдаемое расюждение вызвано, по-видимому, температурной зависимостью электрической проводимости жидкости. Светлыяи ~ружками обозначены результаты, полученные при гп гаю м ~ 3 1=50'С, а температура в опытах Г. Э.
Кронкалнса не указана и могла быть ниже, Штриховая линия на рисунке обобщает результаты измерений В. М. Кожевникова (1981) удельной электрической проводимости магнетитовых жидкостей на основе керосина. Различие в значениях т может быть обусловлено разной степенью отмывки дпсперсного магнетита после его получения, Известно, что аналогичный вид зависимости электрической г проводимости свойст вен растворам сильных / электролитов, и сниже- ние проводимости и об- У о ласти высоких концен- траций объяснялось о падением подвижности ионов при увеличении общего числа носите° о лей заряда.
Это обстоо ятельство позволяет предположить, что в ма- «Я аоз «12 «» «га «м «гг «зг гнитных жидкостях, ног" лученных методом хи- мической конденсации, Рис. 2.11 существует примесный тип проводимости. Для уточнения механизма переноса заряда в магнитных жидкостях проводилась серия опытов на жидкостях с магиетитом, который вообще не отмывался после процесса химической конденсации.
Вольт-ампериые характеристики таких жидкостей снять не удалось, кроме одной, у которой концентрацня твердой фазы гр=0,27, В экспериментах, проводимых при 1=22'С, наблюдался экспопеициальпый рост силы тока с увеличением напряженности электрического поля. Начиная с Е=15— 20 кВ/м, наблюдались скачкообразное увеличение 7 и нестационарность переноса заряда.
Для жидкости, у которой <р=0,27, сила тока увеличивалась пропорционально напряжению до Е=15 кВ/м, затем вольт-амперная характеристика теряла линейность. Электрическая проводимость этой жидкости рассчитывалась по линейному участку (см. рис. 2.11). Сделаем оценку гидродинамической концентрации для объемной концентрации <р= =0,27. Для частиц средним диаметром 0= 10 нм и тол- щины адсорбционного слоя 6=2 нм (максимальная длн.
на молекулы олеиновой кислоты) получим к,,= (Н„/д)зХ ><Ч=0,74. При такой концентрации покрытые слоем олеиновой кислоты полидисперсные частицы магнетита находятся в непосредственной близости друг к другу (напомним, что предельная концентрация уложенных друг на друга в гексагональном порядке твердых сфер одинакового диаметра составляет ~Р*=0,74). Следовательно, перемещение в электрическом поле примесных ионов, адсорбнрующнхся на частицах магнетита в процессе химической конденсации н переходящих в раствор после разбавления концентрированной пасты жидкой основой, затруднено из-за их взаимодействия с полярными длинноцепочечными молекулами олеиновой кислоты. Это взаимодействие н могло быть причиной стационарного переноса заряда в жидкости с объемной концентрацией не- промытого магнетита гр= 0„27, содержащей избыточное количество примесных ионов.
В жидкостях с меньшей концентрацией непромытого магнетита примесные ионы относительно свободно перемещаются по жидкой фазе, вызывая предпробойное состояние при увеличении напряженности поля. Другая причина падения электрической проводимости в области высоких концентраций магнитных частиц может заключаться в усиливающемся рассеивании примесных ионов на магнитных моментах частиц. Приведенные результаты позволяют оценить качество магнитной жидкости по ее вольт-амперной характеристике Избыток примесных ионов в концентрате из коллондных частиц магнетита и стабилизатора затрудняет стабилизацию магнитной жидкости, так как адсорбируюшиеся на частицах ионы препятствуют полному покрытию частиц адсорбционной оболочкой.
Следовательно, отклонение от линейной вольт-амперной характеристики или нестационарность процесса переноса заряда в жидкости означают неполную отмывку высокодисперсного магнетита, что приводит к снижению агрегатнвной устойчивости магнитной жидкости. Удельная электрическая проводимость магнетитовых магнитных жидкостей на углеводородной основе, измеренная на переменном токе 1=60 Гц 119], имеет тот же порядок, что и проводимость, измеренная на постоянном токе; т= 10 з См/м. Такой же результат был получен В Капланом (В, 2. Кар)ап) и Д, Джейкобсоном (1). М. )асоЬзоп) (1976) для магнитной жидкости на основе во- 71 цы (М =15,9 кА/м): в диапазоне 1=10 — 10' Гц частотная зависимость коэффициента удельной электрической проводимости оказалась незначительной и среднее значение уж0,25 См/м соответствовало результату измерений на постоянном токе.
По зависимости удельной электрической проводимогти магнитной жидкости от температуры можно оценить энергию активации носителей заряда. На рис. 2.12 приведены результаты экспериментов при температуре 295 — 363 К на четырех образцах керосиновой магнитной жидкости с промытым магнетитом. Обработка данных по методу наименьших квадратов пает следующую зависимость у(1/Т) для магнитной жидкости при ~р=0,19: у =- 2,19 Гб з ехр ( — 20.14 10з/()гТ)), где у — удельная электрическая проводимость, См/см; (для керосина у=696.10-' ехр ( — 59,25.10'/(/гТ)). По углу наклона зависимостей 1п у от 1/Т находили энергию активации (/, = а бп т~ — 1и т,) 11т, — 1/т, Ю/7 ,дХ да н' (д' Энергия активации приблизительно равна 0,2 эВ для магнитных жидкостей и 0,6 зВ для керосина. Снижение этой энергии для магнитной жидкости по сравнению с керосином согласуется с гипотезой о существовании в магнитной жидкости примесных ионов.
Отметим, что электри- ческое сопротивление маг- 1 1 нитных жидкостей снижали" — — ется приблизительно на .-Р=ам ~ три порядка по сравнению Т вЂ”, — ~' к-пм ~ с основой, Однако оно ~ — у=О,06 -Г=о,'гз -' остается на несколько ~ "— ~~опв ' порядков выше, чем у тра- диционных магнитных .д Л вЂ” — материалов, и поэтому * ~ при воздействии внешних — — — магнитных полей потери в них на индукционные Ряс.
2.!2 токи будут малы, Э, ектрическая прочность магнитной жидкости хааьтеризуется пробивным напряжением. Измерения пробивного напряжения для магнитных жидкостей на углеводородной основе показали его снижение (более чем на 50а(,) по сравнению с жидкой основой. С увеличением магнитного поля, направленного параллельно электрическому, пробивное напряжение дополнительно уменьшается и достигает Е р — 0,5 МВ/м при индукции 0,4— 0,8 Тл. Эти данные получены для магнетитовых магнитных жидкостей на кремнийорганической основе. Многократное воздействие электрического поля снижало пробивное напряжение испытуемого образца.
Диэлектрические характеристики. Диэлектрическая проницаемость а большинства диэлектриков, характеризующая их поляризацию в электрическом поле, не завысит от напряженности поля, но зависит от его частоты. Для магнитных жидкостей важным физическим параметром является концентрация твердой фазы, относительная диэлектрическая проницаемость которой выше, чем проницаемость жидких основ (см.
прил. 2, 4). Присутствие полярных молекул поверхностно-активного вещества в магнитной жидкости также влияет на ее диэлектрическую проницаемость. Р, Розенцвейг и Р. Кайзер (1969) определили относительную диэлектрическую проницаемость порошка из коллоидных частиц магнетита з-15 на частотах 400 Гц и 1 кГц. Н. И. Дюповкин и Д. В. Орлон (1983) исследовали магнетитовые магнитные жидкости на основе керосина, стабилизированные олеиновой кислотой, в диапазоне частот 1Оз — 7 104 Гц, При увеличении объемной концентрации магнетита от 5 до 19,57р относительная диэлектрическая проницаемость монотонно возрастала от 3 до 9 на частоте 100 Гц.
С увеличением частоты изменения электрического поля, создаваемого в межэлектРодном пространстве ячейки с плоскопараллельными электродами, относительная диэлектрическая проницаемость плавно уменьшалась, причем наиболее резкий спад наблюдался в диапазоне частот 1Оз — 1Оз Гц. Измерения Г, М. Гордеева с соавторами (1983) относительной диэлектрической проницаемости близких по характеристикам магнитных жидкостей в диапазоне частот !Оз— Гц согласуются с данными Н. И.
Дюповкина и 10т Д В. Орлова на верхней границе частот (/К) (рис. 2.13). Приведенная частотная зависимость диэлектрической проницаемости е и тангенса угла диэлектрических по- 73 терь 1пб получена при комнатной температуре. Из рисунка видно, что относительная диэлектрическая проницаемость исследованных образцов (1 — ср= 0,1, 2 — 0,06) практически постоянна в указанном диапазоне частот. На график нанесены также опытные точки для керосина 14) и олеиновой кислоты 13), которые располагаются ниже значений е для магнитных жидкостей. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты электрического полн характеризуется резким и' и' гб" частата, Гц Ряс. 2.13 падением в диапазоне частот 10' — 5 10с Гц, причем на частоте 1Оз Гц диэлектрические потери для магнитных жидкостей на порядок превышают 1пб для керосина (рис.
2.13). Одна из причин роста диэлектрических потерь с уменьшением частоты электрического поля может заключаться в джоулевых потерях, связанных с проводимостью магнитной жидкости. 2.4. МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИИ ЭФФЕКТ Известно, что влияние магнитных полей обычной величины на электрическую поляризацию молекул ничтожно мало. Для большинства молекул с постоянным магнитным моментом изменение электрической восприимчивости, которая характеризует способность вещества к электрической поляризации, в магнитном поле напряженностью приблизительно 800 кА/м при обычных температурах составляет Ли/я 10 г. В магнитных жидкостях носителями магнитного момента являются малые частицы, анизотропия которых может быть обусловлена рядом причин: предпочтительным направлением магнитного момента т в частице (магнитная анизотропия), ее электрическим днпольным моментом р и стерическим дипольным моментом з, характеризуюшим анизотропию формы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
