В.Е. Фертман - Магнитные жидкости (1163283), страница 20
Текст из файла (страница 20)
На определенной высоте силы, действующие на магнит, уравновесятся (следует учитывать и архимедову силу): Тя+Тл — Р=О, где Гл — Р= =а~'.-(р — р ). По той же причине магнит будет отталкиваться от боковых стенок сосуда, поэтому говорят, что постоянный магнит самоцентрируется в объеме магнитной жидкости, ограниченном немагнитными стенками. Объемная сила Е„,=П„,МХТН может нарушить механическое равновесие неизотермической магнитной жидкости.
Действительно, так как намагниченность зависит от температуры, то нагретые и холодные области притягиваются к магниту с разной силой: холодную жидкость магнит притягивает сильнее. Из теории конвективной устойчивости несжимаемой жидкости известно, что термогравитационная конвекция под действием массовой силы Тг — — рд возникает только в случае И))КТ (если плотность жидкости уменьшается с увеличением темпеРатуры). Случай д'((ЧТ соответствует устойчивому равновесию жидкости (например, горизонтальный слой, равномерно нагреваемый сверху).
В связи с тем что темпеРатурная зависимость намагничиваемости магнитной жидкости пропорциональна температурной зависимости плотности отиости ее основы, а неоднородное магнитное поле создает для магнитнои жидкости аналог поля силы тяжести, то те м термомагнитная конвекция по аналогии с термогравитационной возникает в случае '~Н'('(яТ. Отметим также 107 возможность подавления нежелательных течений в магнитной жидкости неоднородным полем, у которого кн ~чт. воеобразно поведение свободной поверхности магнитной жидкости, находящейся в магнитном поле. Механизмы воздействия магнитного поля на свободную поверхность обусловлены уже упоминавшейся зависимостью давления в магнитной жидкости от величины поля, Ряс 3.2 а также скачком давления на границе раздела магнитной и немагнитной жидкостей.
При локальном воздействии неоднородного магнитного поля чН(~д толщина слоя магнитной жидкости в области поля увеличивается настолько, чтобы гидростатическое давление уравновесило повышение магнитного давления в этой области. Скачок давления возникает прежде всего в результате разрыва нормальной компоненты напряженности магнитного поля при переходе через границу раздела двух сред с разными значениями намагниченности: Нз — Н,„=М, — Мз„. (Это условие следует из непрерывности нормальной компоненты индукции поля В„: (В~ — Вз).п=О.) Представления о скачке давления на микроскопическом уровне приведены в [18]. Так, на границе магнитной жидкости и немагнитной среды давление в магнитной жидкости, описанное уравнением (3.7), меньше на величину (1/2)АМ'„', чем в немагнитной.
Это специфическое для магнитной жидкости явление при достижении определенной напряженности поля и, следовательно, намагниченности жидкости приводит к неустойчивости плоской повсрхности жидкости в вертикальном однородном поле (рис. 3.2). В начальный период развития искажений поверхности доминирующее значение имеет нарушение 108 нородностн магнитного ноля над поверхностью жидкости Оно возрастает у возвышений и способствует образованию пиков (жидкость втягивается в область сильного поля). Стационарная форма поверхности устанавливается при равновесии магнитных, гравитационных н капиллярных снл.
Таким образом, магнитным полем можно воздействовать на форму н устойчивость поверхности магнитной жидкости. Еще один механизм воздействия магнитного поля на жидкость обусловлен ее структурои: магнитное поле взаимодействует с твердыми частицами, приводя их во вращательное движение, или, наоборот, тормозит их вращение. Частицы передают это воздействие прилегпощим слоям жидкости. Оно посредством вязкого трения распространяется по жидкой фазе. Очевндно, что вынужденное течение жидкости в свою очередь может тоже влиять на взаимодействие поля и частиц. Разработана феноменологическая модель магнитной жидкости с релаксирующей намагниченностью, в которой учитывается это взаимодействие.
По этой модели для малых отклонений от равновесной намагниченности Мр релаксация намагниченности описывается линейным по динамическим переменным уравнением 118) М = — ~Мр — х — ~ е — х Н~ — — ь) Х е), (3.8) ет -" рт где х„= х,„(р, Т, Н), х = х (о, Т, Н) — материальные коэффициенты, определяющие неравновесную часть намагниченности М' = М вЂ” Мр, е = Н)Н; ь) =- — 11 Хо — вектор 2 Л Д -> гндродинамического вихря, — =- — + (и''е). ет Ет Из соотношения (3.8) видно„что намагниченность зависит как от термодянамических параметров р, Т, Н, так я от движения жидкости. Объемная сила, с которой магнитное поле воздействует на жидкость при их относительном движении вследствие отклонсния вектора намагниченности от равновесного положения, в рассматриваемом приближении имеет вид р = мер х (М' Х Н)72+ рр(М' р) Й.
(3.8) Сила г' перестает действовать на жидкость, если коэффициенты х~ и х стремятся к нулю. 109 Рассмотренные механизмы воздействия магнитного поля на жидкость были реализованы в ряде технических устройств. 32. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА с мдгнитнои жидкостью 3.2.1.
Герметизаторы для вращаюшихся валов Возможность удерживать неоднородным магнитным полем объем магнитной жидкости, на которую действует сторонняя сила, в узком кольцевом зазоре между валом и корпусом машины заложена в основу наиболее распространенных технических устройств с магнитной жидкостью — магнитожидкостных герметизаторов. На рис. 3.3, а приведено схематическое изображение магнитного поля, которое создается постоянным цилиндрическим магнитом, намагниченным в осевом направлении, в рабочем зазоре магнитожидкостного герметизато- Рис.
З.З Рис. 3.4 ра, Магнитное поле пронизывает зазор в радиальном направлени . авлении. На рис. 3.3, б изображено радиальное сечение магнитной гкидкости, расположенной между валом и полюсным наконечником, которая создает герметичную перегородку между областями с разным давлением. Для увеличения удерживаемого перепада давления на внутренней поверхности полюсного наконечника 1 делают несколько цилиндрических зубцов (рис. 3.4).
Под каждым Рие. З.Б зубцом находится слой магнитной жидкости 2, которая удерживает перепад давления от 0,07 до 0,045 МПа в зависимости от ее расположения на полюсном наконечнике. Эти величины Лр обеспечиваются постоянными магнитами 3 из феррита бария н магнитными жидкостями с намагниченностью насыщения 65 — 75 кА/м. На рис.
3.5 изображен унифицированный герметизиРующнй узел для стального вала. Он состоит из кольцевого постоянного магнита 1, цилиндрических полюсных наконечников 3 с фокусирующими магнитное поле зубцамн и резиновых уплотнительных колец 2.для герметизации зазора между полюсными наконечниками и фланцем 4.
Перед сборкой на рабочую поверхность каждого полюсного наконечника и поверхность вала кисточкой на. носится магнитная жидкость, Узел устанавливается в корпус в такой последовательности: сначала — один полюс- 111 ный наконечник, затем — магнит и второй полюсный наконечник. После сборки минимальное расстояние от зубцов до поверхности вала составляет 0,15 — О,!8 мм. Корпус, содержащий унифицированный узел, должен изготавливаться из немагнитного материала (или иметь не- магнитную втулку толгциной не менее 1,5 мм). При герметизации немагнитного вала на него устанавливается втулка из магнитного материала, которая обеспечивает замыкание магнитного потока.
Конструкция, изображенная на рис. 3.5, удерживает перепад давления Лр— — 0„15 МПа при условии, что существует надежное разделение отдельных ступеней уплотнения воздушными прослойками. Величина зазора между зубцами и валом определяет соответствующие требования к допустимым биениям вала и точности изготовления герметизирующего узла. Индукция магнитного поля под зубцом достигает 1 — 1,5 Тл. При этом материал магнитопровода близок к состоянию насыщения.
Неоднородность магнитного поля в зоне герметизации составляет ЛН/Лз-10' А/мз, а магнитная сила; действующая на каждую частицу диаметром 10 нм,/„=)гм,$'(%Н~ 3 10 — м Н. Под действием постоянной силы /„равновесная концентрация взвешенных в жидкой основе частиц будет подчиняться барометрическому закону п(г)-ехр( — "" ' ~ ), ИТ (3.10) дН где рН = — 1,. дг При оценке времени установления равновесного распределения частиц в неподвижном герметизирующем слое Лг=10-' м магнитной жидкости получаем (Лг)'Завод т =- — 10 сут. лт Магнитные жидкости, предназначенные для эксплуатации в полях с указанной выше неоднородностью, должны приготавливаться особенно тщательно. Существует номинальный диаметр твердых частиц, при котором скорость магнитофореза в неоднородном магнитном поле равна скорости броуновского движения; 112 Частицы, у которых г()Аь будут «оседать» в область максимального поля. Подставляя в выражение (3.11) использовавшиеся в э 1,1 типичные для магнитной жидкости значения, получаем А, 16 нм.
Заметим, что при комнатной температуре частицы магнетита таких размеров обладают «вмороженным» магнитным моментом а.»1. Из типичной гистограммы размеров частиц магнетита в магнитной жидкости на углеводородной основе, приведенной на рис. 1.6, видно, что подавляющее число частиц имеет размер, меньший номинального. Для удаления крупных частиц магнитные жидкости для магнитожидкостных герметизаторов центрифугируют и обрабатывают неоднородным магнитным полем. В результате снижается «хвост» функции распределения частиц по размерам. Магнитожидкостные герметизаторы имеют преимущества по сравнению с манжетными: отсутствие контактного давления и, следовательно, износа, высокая герметичность, простота эксплуатации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
