Дослідження властивостей магнітних рідин

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Дипломна робота

Дослідження властивостей магнітних рідин

ВВЕДЕННЯ

Магнітні рідини (МР) на основі гасу мають деяку електричну провідність.

Носіями заряду можуть бути залишкові іони технологічної процедури при виготовленні МР як продукт розпаду іонних атмосфер, що супроводжують стабілізуючій оболонці часток і їхніх агрегатів. Припустити як носії самі магнітні частки і їхній агрегат можна, але більша маса й низька рухливість при, загалом, малому, очевидно, надлишковому заряді малоймовірна.

Наслідком залежності можуть стати інші явища, уже виявлені.

Так уже замічена спонтанна поляризація електродів кондуктометричного осередку (КО), обумовлена, швидше за все, деякою асиметрією матеріалу електродів. Чітко проявляється гістерезис у ході ВАХ, обумовлений, очевидно, темпом навантаження КО. Неясна лише його залежність від зовнішніх умов, внутрішньої сполуки й структури МР як системи. Інша чудова властивість МР, пов’язане з її провідністю, — це акумуляція заряду й енергії в КО при її зарядженні. Багато деталей цього явища ще сховані, але дещо відомо виразно. Установлено співвідношення (якісне) між заряджаючою напругою й максимальною різницею потенціалів у зарядженої КО. Вивчено хід розряду й знайдено, що заряд, що нагромадився в ній, значно перевищує заряд цього ж осередку, узятої в ролі конденсатора з повітряно-гасовим і наповнювачем.

Всі ці факти дозволили провести першу грубу оцінку електричних характеристик МР. У справжній роботі продовжені дослідження провідності МР на основі гасу й акумуляції енергії в КО в умовах температури, що застосовується; отримані деякі нові результати про механізм розряду шляхом вивчення саморозряду КО й зіставлення його з повним розрядом. Ці результати поки ще не відрізняються високим ступенем точності (кількісної) через підвищену чутливість МР до температури, але якісно визначені.

ГЛАВА I. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1. Карбівок В.В., Бондаренко Е. А., Кандаурова Н. В. Нагромадження заряду в электрофоретичному осередку із МР

Були проведені дослідження електричних властивостей МР «магнетит у гасі» з ПАВ, олеїнової кислотою об'ємною концентрацією 5−12%.

ВАХ осередку, використовуваної в даній роботі нелінійні, тому осередок можна представити як конденсатор, що накопичує заряд на обкладках, величина якого виявилася рівної 10_ 5 Кл (еквівалентна ємність такого конденсатора порядку 10 мкФ.

При подачі на осередок прямокутного імпульсу напруги з амплітудним значенням 10 У залежність напруги на осередку від часу має вигляд.

Одержали функцію, виду

де, C1 — порядку 10 нФ;, C2 — порядки 10 мкФ.

Оптичні дослідження показують, що час застосування відбивної здатності осередку при подачі на неї імпульсної напруги й висвітленні світлом довжиною хвилі = 504 нм, має той же порядок, що й час зарядки конденсатора.

При подачі const напруги на осередок у ній тече струм, під дією якого частки магнетиту рухаються до електродів, поблизу поверхонь провідний шар, відділений шаром ПАВ. В об'ємі осередку утвориться об'ємний заряд, що спричиняється провідність осередку.

Передбачається, що можна розглядати осередок як систему послідовно з'єднаних конденсаторів, обкладки яких являють собою провідний шар диоксида олова, шар провідних часток з непровідним шаром ПАВ, що проводить середовище, обумовлену виникненням об'ємного заряду. Еквівалентна схема осередку

Використовуючи відомі формули електродинаміки, була проведена оцінка товщини шару ПАВ для даної моделі. Він виявився порядку 10−50 А, що один по одному величини відповідає товщині ПАВ на колоїдних частках.

Осередок має нелінійний опір R, що можна пояснити виникаючими в об'ємі рідини. У зв’язку з нелінійністю J (U) удалося спостерігати автоколивання струму в схемі з осередком.

2. Полихрониді Н.Г., Кусова А. А. Електро- і магнітно-польова акумуляція електричного заряду в осередку із МР

Було проведене дослідження ефектів, що супроводжують дрейфу часток дисперсної фази, збудженому плином МР типу магнетит у гасі щільністю 1,25 Мг/м3 і провідністю 100 пСм/м.

У ході експериментів прийшли до наступного висновку: тому що МР є спадкоємною системою, то при безперервному застосуванні діючі на неї фактора наступний стан залежить від попереднього, є нерівновагим, а рівновага може бути досягнуте з певним запізнюванням.

Звідси гістерезис, що залежить від темпу dU/dt нарощування поля при знятті ВАХ. Величина розщеплення ВАХ залежить від часу релаксації й плинності МР. Тому можливо такий підбор темпу, при якому розщеплення буде відсутній.

Акумуляція заряду в КО під дією ЕП на МР може бути пояснена рухом і концентрацією масивних комплексів і агрегатів, а також окремих часток дисперсної фази поблизу електродів. Ці скупчення зберігаються протягом 10−70 с. При замиканні електродів на навантаження (вимірювальний прилад) спостерігається струм розрядки. Природа струму дифузійна. Механізм протікання складний: усередині осередку він обумовлений дрейфом іонів, поза — дрейфом електронів, що утворять у ланцюзі КО єдиний струм. Закон зміни струму задається процесом дифузії акумульованих заряджених часток. Причиною же акумуляції є електрофорез важких носіїв заряду.

Акумуляція заряду під дією МП на МР може бути пояснена як наслідок фореза магнітних часток під дією магнітної сили. Нагромадження заряду можливо, якщо переміщувані частки мають адсорбований заряд або захоплюють механізмом інші заряджені мікрооб'єкти.

Була розроблена методика використання ВАХ і струмів розряду обох видів для розрахунку концентрацій і носіїв.

3. Шкіряників В.М., Ларионов Ю. А. Анізотропія електропровідності дисперсних лінійних систем, наведена зовнішнім впливом

Щоб полідисперсність не спотворювала вимірювані в досвідах характеристики часток, необхідно вимірювати анізотропію електропровідності дисперсних часток, орієнтуючи їхніми полями різної напруженості.

Вектор поля, що орієнтує, спрямований по осі Z. Позначили зміна електропровідності дисперсної системи, викликана орієнтацією часток уздовж осі Z, через бкII, а в напрямку, перпендикулярному осі - через бк, де бкII = кII-до, бк = к-до.

У тих випадках, коли електропровідності дисперсної системи великі, вплив поля, що орієнтує, приведе до її збільшення за рахунок джоулева тепла, що виділилося при проходженні струму через дисперсну систему. Ці зміни можуть бути порівнянні з вимірюваними величинами бкII і бк. Однак помилки при визначенні бкII і бк у цьому випадку будуть однаковими, і різниця бк = бкII-к виключає дану погрішність, тому ця величина досліджувалася в даній роботі.

Експериментальні виміри бкII проводилися за допомогою кювети, що містить 4 зонди й 4 електроди. До електродів, А и В підводило поле, що впливає, уздовж осі АВ — направляли вектор МП, електроди З, Д — вимірювальні. 1−4 — зонди. В області зондів, відстані між якими значно менше, ніж між електродами, що орієнтують і вимірювальні поля практично однорідні. За допомогою зондів 1 і 3 можна вимірювати відносну зміну електропровідності уздовж поля, що орієнтує, а за допомогою зондів 2 і 4 — відносні зміни електропровідності в перпендикулярному напрямку, які пропорційні відносній зміні напруг U13 і U24.

Результати дослідження анізотропії електропровідності МР від величини МР від величини МП, представлені на мал. 2 (де крива 1 знята для вихідної рідини, крива 2 — після впливу на рідину ЕП), підтвердили ефективність запропонованої методики дослідження.

Постановка завдання

Раніше було встановлено, що при пропущенні електричного струму через КО із МР у ній накопичується електричний заряд, якому можна помітити при розряді КО на навантаження (самопис або вимірювальний прилад). Як виявилося, розрядний струм підкоряється експонентному закону й по величині струму можна визначити електричну ємність осередку.

При дослідженні ВАХ був виявлений гістерезисний ефект, якому можна пояснити інертністю протікання процесів у МР. МР має здатність накопичувати заряд під дією ЕП, тому виникає запізнювання в зменшенні сили струму при зменшенні величини напруги, що подається на осередок. Гістерезис спостерігається, якщо час релаксації МР перевищує або порівняно з періодом нарощування напруги. Якщо час релаксації багато менше періоду нарощування напруги, то ВАХ здобуває лінійний характер.

При дослідженні залежності пікового значення різниці потенціалів на осередку від тривалості заряду МР було виявлене існування граничної напруги — ефект «насичення» — по величині меншого, чим напруга, що подається на осередок від джерела харчування.

У даній дипломній роботі ставляться наступні завдання:

1. Показати можливості переносу заряду теоретичним шляхом.

2. Дія ЕП на вільні заряди й електричні диполі.

3. Дія МП на магнітний заряд.

Зняття ВАХ у задається темпе, що, нарощування напруги, що подається на КО, що нагрівається певної температури й спостереження за ходом кривої.

1. З’ясування залежності пікового значення розрядного струму КО із МР при її заряді від тривалості запряження, що заряджає напруги й температури МР у КО.

2. З’ясування впливу часу саморозряду осередку на хід кривої розрядного струму, на величину пікового значення розрядного струму, а також з’ясування впливу температури на час саморозряду (на хід кривої розрядного струму й на його пікове значення).

З’ясування впливу МП у межах на ВАХ КО й на криву розрядного струму.

ГЛАВА II. ДІЯ ПОЛІВ НА СТРУКТУРНІ ЕЛЕМЕНТИ МАГНІТНОГО КОЛОЇДУ

II.1.1 Дія ЕП на вільний заряд

Одним з неодмінних елементів МР є вільний електричний заряд споконвічно вільний або, що з’явився з іонної атмосфери частки — дисперсної фази (мицеллы) у результаті дії якого-небудь фактора. Одним з таких факторів може бути ЕП при пропущенні струму. Це поле легко руйнує оболонку еластично пов’язану із часткою, попередньо витягаючи мицеллу в диполь і відриваючи від її іона, переводячи з розряду зв’язаних у вільні. Вільні електричні заряди при накладенні на МР ЕП піддані дії цього поля.

Якщо ЕП викликано одним крапковим зарядом q, величина напруженості поля виходить безпосередньо із закону Кулона шляхом розподілу обох частин рівності на величину другого заряду:

Використовуючи закон Кулона у векторній формі запишемо напруженість ЕП крапкового заряду також у векторній формі:

Якщо відомо напруженість поля в якій-небудь крапці, то тим самим визначена й сила, що діє на електричний заряд, поміщений у цю крапку. А саме

Кулоновська сила спричиняється потенційну енергію W цього поля

де — потенціал поля в тій крапці, де перебуває в цей момент вільний заряд.

II.1.2 Дія ЕП на електричний диполь

Поряд з вільними зарядами в магнітному колоїді існують електричні диполі, утворені як результат деформації:

а) при прямій дії ЕП; б) при механічному русі в силу дії кулоновських і вязкостних сил.

/

/

Знайдемо силу, що діє на диполь в ЕП, причому будемо вважати спочатку, що поле однорідне. На кінці диполя діють рівні по величині сили. Ці сили спрямовані в протилежні сторони й утворять пари сил. Момент M цієї пари дорівнює

де — кут між вектором і напруженістю поля. Величину

називають моментом диполя, що є вектором. Він спрямований також, як і, тобто від негативного заряду до позитивного.

Користуючись поняттям моменту диполя, можна написати вираження для моменту пари сил, що діє на диполь, у вигляді

Напрямок моменту цієї пари збігається з напрямком осі обертання диполя, тобто перпендикулярно до і.

Або ж, використовуючи векторну алгебру, можна записати

/

/

В однорідному полі на диполь діє тільки пари сил, що прагне повернути диполь таким чином, щоб і були паралельні. Для того, щоб повернути диполь в ЕП на деякий кут, потрібно зробити певну роботу. Так як. ця робота дорівнює збільшенню потенційної енергії диполя, те звідси можна знайти вираження для енергії диполя в ЕП. Приймемо за нуль енергію диполя, перпендикулярного до напрямку поля

Тоді енергія диполя, момент якого становить кут з напрямком поля, дорівнює

Розглянемо тепер диполь у неоднорідному полі й покладемо, що момент диполя паралельний напрямку поля (див. мал.).

/

/

Сили, що діють на кінці диполя, уже неоднакові, і тому їх результуюча 0. На диполь у неоднорідному полі діє сила, що прагне пересунути диполь в область поля з більшою напруженістю. Знайдемо величину тієї сили. Направимо координатну вісь X уздовж моменту диполя й будемо вважати, що довжина диполя мала (елементарний диполь). Сила, що діє на «-» кінець диполя, є, де E — напруженість поля в крапці знаходження заряду q. Сила, що діє на «+» кінець диполя, дорівнює

, де — довжина диполя. Тому повна сила

В однорідному полі

й результуючій силі дорівнює нулю.

Якщо диполь перебуває в неоднорідному полі й не паралельний полю, то на нього діють і пари сил, що прагне повернути диполь паралельно полю, і сила, що втягує диполь в область більше сильного поля.

Нехай -одиниці напруженості ЕП у прямокутних осях координат, а — одиниці моменту диполя в тих же осях. Тоді тридцятилітній сили по осі Х дорівнює

.

Тридцятилітній сили Fy і Fz виражаються аналогічними формулами.

Якщо вісь Х направити уздовж вектора

, то

Дипольність забезпечує частці енергію

У практиці досліджень провідності МР звичайно використовують однорідне ЕП.

Магнітне поле на електричний (нерухливий) заряд не діє, відповідно до загального вираження для сили Лоренца

де — електрична й магнітна одиниці.

При, і тоді.

Якщо ж, то навіть при

Так як тепловий рух хаотично, та дія сили Лоренца на МР у середньому ніяк не відчувається, оскільки іони-носії заряду є частками замкнутої системи. Небезладною швидкістю можуть володіти носії в дрейфі (струм) або в єдиному гідродинамічному потоці. Тоді сила Лоренца подіє на кожну частку однаково й вся система носіїв повинна зрушитися. При цьому частина носіїв буде збільшена з потоку й зменшити струм.

II.2.1 Дія магнітного поля на заряд, що рухається

Кожний провідник зі струмом створює в просторі МП. Але електричний струм у провіднику є рух заряджених часток: у металах — це рух е-е-, в електролітах — іонів, у газовому розряді - і іонів, і е-е-. Звідси можна укласти, що всякий заряд, що рухається, створює навколо себе МП. Знайдемо величину цього поля.

Розглянемо малий відрізок проведення довжиною зі струмом i. Цей відрізок створює в деякій крапці, вилученої на відстань r, напруженість поля

Але силу струму можна виразити через щільність струму j і перетин проведення

а щільність струму — через концентрацію заряджених часток n і їхня швидкість

Це дає

де N — повне число часток у відрізку проведення. Напруженість поля можна представити у вигляді

Напруженість поля, викликуваного одною зарядженою часткою, має значення

/

/

Напрямок цього поля перпендикулярно до швидкості v часток і до радіуса — вектору r, проведеному із заряду в розглянуту крапку, і підкоряється правилу правого буравчика. Використовуючи позначення векторної алгебри

Ця формула виражає напруженість поля «+» заряду, що рухається зі швидкістю v.

Якщо рухається «-» заряд, то у формулі потрібно замінити е на е заряд, Що Рухається, по своїх магнітних діях еквівалентний елементу

У цих формулах v — відносна швидкість, тобто швидкість щодо спостерігача й тих приладів, які вимірюють МП.

Так як усякий струм є рух заряджених часток, отже, на заряд, що рухається, у МП діє сила. Визначимо величину цієї сили. На проведення довжиною зі струмом i діє сила

де B — магнітна індукція. З іншого боку

де N — повне число заряджених часток, що рухаються, усередині проведення. З огляду на, що напрямок збігається з напрямком швидкості руху «+» часток (з напрямком струму), можна вираження для сили представити у вигляді

Сила, що діє на проведення, пропорційна повному числу часток, що рухаються, а виходить, сила, що діє на одну частку, дорівнює

/

/

Напрямок цієї сили перпендикулярно до напрямку швидкості v і магнітної індукції B і підкоряється правилу правого буравчика (див. мал.).

Отриманий результат можна виразити у вигляді векторної формули

Якщо є ще ЕП, то повна сила дорівнює

Цю силу, що діє на заряд, що рухається, називають силою Лоренца.

Ця формула отримана на основі аналізу досвідчених даних про взаємодію нерухливих контурів зі струмом. Тому швидкість v у формулі є швидкість відносно МП.

Сила Лоренца проявляється при русі е-е- і іонів у МП.

II.2.2 Дія МП на магнітний диполь

Інша, визначальна специфічність МР, структурним ефектом є магнітний диполь — мікрокристалічний агрегат у колоїдній частці. У вимірах за участю МП використовуються однорідні й неоднорідні поля. Дія цих полів на магнітний диполь аналогічно дії ЕП на електричний диполь.

Дійсно, нехай магнітний диполь поміщений у довільне МП, тоді на нього діє механічний момент

Вираження спростимо, якщо поле буде однорідним, тому що система координат може бути обрана так, щоб або, або обидва вектори збігалися з однієї (двома) осями координат. Енергія диполя просто задається формулою

Магнітний диполь у випадку дії на нього неоднорідного МП підданий дії магнітної сили

Тому що в місцях розташування магнітних диполів струми, що утворять поле відсутні, то

, але тоді

В однорідному МП всі похідні дорівнюють нулю, отже,. Тому М Р повинна піддана дії МП. Найбільший вплив на дрейф буде досягнуто, якщо сила (тому що іншої швидкості, що впорядковує, немає). Отже, повинна бути напруженість ЕП, що створює струм.

Нехай

, тоді або

Це можливо, якщо

тобто коли

й

У цьому випадку

Ця сила буде витягати діаполі при сприятливій їхній орієнтації до повної мінімізації магнітної поступальної енергії. Поле такого роду односпрямоване, але одернування через різну густоту магнітних силових ліній. Таке поле може бути створене за допомогою смугового постійного магнетиту поблизу його полюсів, площа перетину яких помітно більше площі КО, або за допомогою соленоїда з тими ж габаритами.

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧНА ТЕОРІЯ ПРОВІДНОСТІ МР

III.1 Теорія провідності

Щільність струму дрейфу під дією кулоновського поля в будь-який момент часу визначається вираженням (при одному знаку носіїв)

де g — заряд окремого носія, n — концентрація носіїв, vдр — швидкість дрейфу.

У більше загальному випадку для двох носіїв

де знаки «+» і «-» ставляться до позитивних і негативних носіїв відповідно.

так як, (- рухливість), те,

уважаючи, що, і що, те

де — коефіцієнт електропровідності.

Поряд зі струмом, обумовленим дрейфом, виникає дифузійний струм із щільністю

де з — об'ємна щільність заряду, рівна gn, D — коефіцієнт дифузії, обумовлений співвідношенням Нернста-Ейнштейна.

тоді повний струм складе (у випадку носіїв одного знака)

За умови тривалої дії поля E наступає динамічна рівновага, при якому

Звідси неважко одержати з обліком

для одномірного випадку

, що

або

Після інтегрування можна одержати

тут — значення при.

Поділ носіїв заряду одернування через розходження їхньої сполуки, маси, рухливості. Тому й, і E є функціями координат. Середнє значення щільності струму по товщині й осередку КО уздовж осі ОХ, перпендикулярної площі електродів буде

причому, відповідно до рівняння Пуассона

для одномірного випадку

Якщо в КО перебувають і вільні й зв’язані (фіксовані) заряди св і связ, то

звідси

Тоді, уважаючи для простоти, можна записати

Нехай граничними умовами будуть

при;

при

тоді, тому що

— збільшення потенціалу, те

Це вираження можна перетворити

сумарне поле усередині КО. Це легко зв’язати з поверхневою щільністю * зарядів обох типів

У той же час

урахувавши це, можна одержати

Поводження можна оцінити по її похідній. Нехай

, тоді й

.

При цьому МР повинна бути нейтральної. Нехай повний заряд

Тоді, по модулі

Але тоді

й

/

/

так як і

де v — об'єм КО й, S — площа

те

тому що, а

тоді

Це лінійна функція, де C має сенс питомої електропровідності. Отже, якщо струм протікає, то він повинен підкорятися закону Ома (див. мал.).

Перенос електричного заряду в КО при пропущенні електричного струму

Проходження струму через КО як механізм кінетичний (наявність градієнта, що визначає перенос градієнта потенціалу) не може бути ясний без детального вивчення учасників переносу і їхніх характеристик — заряду, рухливості, концентрації. Хоти М Р повинна бути в ідеалі ізолятором, вона містить деяку кількість іонів залишкових атомів технологічного процесу. Розміри, форма й концентрація магнітних часток у МР, їхня електрична оболонка й середовище, у якій вони зважені, кожна по своєму впливають на характеристики МР і на її провідність у цілому.

Поставлені відповідним чином експерименти присвячені з’ясуванню ролі магнітних часток у процесі протікання струму через МР.

Носіями заряду частки стають у випадку адсорбції на їхній електричній оболонці іонів обох знаків атомів технологічного процесу, у тому числі й залишкових. Їхній дрейф в ЕП описується наступним динамічним рівнянням руху

Цей рух уважається сталої й тому

Тоді

й у проекції на напрямок швидкості дрейфу маємо

Fс — опір сферичної частки радіуса r у середовищі з в’язкістю. Рухливість цих носіїв дорівнює

де — швидкість дрейфу магнітної частки, E — напруженість ЕП.

Чим більше заряд і чим менше розміри частки й в’язкість середовища, тим більше рухливість і навпаки. Концентрація магнітних часток, що володіють електричним зарядом, залежить від відповідної дисперсної фази і є рівноважною величиною, характерної для кожного стану. Магнітні частки можуть бути захоплені силами грузлого тертя навіть, якщо не мають електричного заряду й, тому, не піддані дії кулоновських сил. Це їхня взаємодія з немагнітними носіями струму приводить до значного зменшення рухливість іонів і комплексів.

III.2 Вплив електричного поля на рухливість МР

Розглянемо вплив додатка кулоновського поля на рухливість носіїв заряду.

/

/

— кулоновські сили, створювані полем

— сила опору.

Носій масою m і зарядом q має швидкість дрейфу

Тоді для динамічного рівняння руху

маємо

Нехай

— коефіцієнт опору.

Тоді

, тому що й спрямовані й

, те

.

Позначимо

,, тоді

Це диференціальне рівняння першого порядку з постійними коефіцієнтами, лінійне, неоднорідне. Його рішення вийде з рішення відповідного однорідного рівняння:

Рішення цього рівняння

уважаючи невідомим і диференціюючи за часом t, одержимо

Поставивши це в неоднорідне рівняння, одержимо

Тоді

Тому що рухливість визначається по швидкості дрейфу, те

Отже, від напруженості поля не повинне залежати.

III.3. Вплив М П на рухливість носіїв у МР

/

/

Розглянемо вплив МП на концентрацію й рухливість носіїв

Динамічне рівняння руху в цьому випадку

,

— сила Лоренца.

Швидкість дрейфу має напрямок, якщо немає МП. У цьому випадку тридцятимільйонні швидкості, загалом кажучи, ненульові.

Представимо рівняння руху в декартових координатах. Виберемо напрямок осей як це показано на малюнку, з огляду на, що

, ,

Представимо рівняння руху в такий спосіб

при даному виборі осей

,

Сила Лоренца

При даному виборі осей

За допомогою раніше розробленої методики була знята ВАХ для МР. Досліджено залежність ВАХ від темпу навантаження КО (швидкості зміни величини подаваної напруги)

Отримано наступні результати:

ВАХ МР має вигляд замкнутій кривій (сильно утягнений овал), розташованої в першому й третьому квадрантах координатної площини.

Спостерігалася пряма залежність між швидкістю зміни напруги й формою петлі ВАХ (див. мал. IV.1. 3), при цьому кут нахилу (тобто опір МР не міняється.

При збільшенні подаваної напруги (Um) кут нахилу петлі не мінявся, змінювалася форма петлі, збільшувалася її площа (див. мал. 4.1. 4). Всі виміри проводилися при кімнатній температурі Т=294 К.

I0 — струм відповідний U=0 на ВАХ- залишковий струм.

U0 — напруга, при якому I=0 на ВАХ — замикаюча напруга.

Побудовано залежності

— I0(U*) при Um = const (мал. IV.1. 5)

— I0(Um) при U* = const (мал. IV.1. 6)

— U0(U*) при Um = const (мал. IV.1. 7)

— U0(Um) при U* = const (мал. IV.1 8)

Дані занесені в таблицю 1.

По ВАХ була обчислена питома електропровідність МР:

;

і побудована залежність

при Um = const (мал. IV.1. 9) і при U* = const (мал. IV.1. 10)

Були зроблені наступні висновки:

Кінцева частина ВАХ указує на порушення закону Ома.

Більша піввісь еліпса залежить від U*. Чим більше U*, тим менше більша піввісь. Чим більше U*, тим більше I0.

I0 збільшується з ростом Um.

Чим більше U*, тим більше напруга деполяризації U0 і I0.

З ростом Um збільшується U0, тобто поляризаційні ефекти зростають із ростом Um.

ВАХ має лінійна ділянка (для); значення від U* не залежить.

Площа S, обмежена кривій ВАХ, характеризує втрати на переорієнтацію дрейфу; ця площа залежить від U*: чим більше темп, тим більше S.

Таблиця 1. Залежність ВАХ від величини напруги подаваного на осередок (Um)

Період обертання: 45 с.

18 с.

2,5 с.

Um, В

2

6

8

10

2

6

8

10

2

6

8

Rx

140 кому

140 кому

1 МОм

1 МОм

U*

0,17

0,53

0,71

0,88

0,4

1,3

1,7

2,2

3,2

9,6

12,8

Iоб10−7 А

4,19

2,33

5,81

5,58

9,53

17,91

16,28

15,58

9,53

18,4

16,98

I0, В

1,17

4,81

4,81

4,58

5,47

10,66

12,28

5,08

5,47

12,4

20,9

U0, В

0,075

0,1

0,1

0,1

0,21

0,4

0,4

1,05

0,21

0,43

0,4

(, 10−10

5,93

6,25

6,25

5,94

3,39

3,46

3,9

3,62

3,39

3,7

3,62

2. Вплив температури на ВАХ МР

МР у КО нагрівалася до наступних температур: 294К, 305К, 315К.

Напруга харчування Um=5У.

Отримано наступні результати:

Кут нахилу кривій не міняється.

Міняється, але незначно, форма петлі (мал. IV.1. 11).

Були побудовані наступні залежності:

U0(T) при U* = const (мал. IV.1. 12)

I0(T) при U* = const (мал. IV.1. 13)

(T) при U* = const (мал. IV.1. 14).

Дані занесені в таблицю 2.

Вплив температури на ВАХ МР виявилося складним, не трактуемым однозначно. Можна говорити лише про якісні зміни:

U0 з ростом температури збільшується незначно.

I0 з ростом температури збільшується незначно (с ростом температури монотонно зростає.

Таблиця 2. Залежність ВАХ від температури

Т, К

294

305

315

t, з

45

14

2,5

45

14

2,5

45

14

2,5

U*, В/з

0,44

1,42

8

0,44

1,42

8

0,44

1,42

8

U0, В

0,025

0,02

0,19

0,075

0,07

0,02

0,044

0,036

0,21

I010−7, А

2

0,83

1,18

4,01

1,0

2,0

2,62

2,06

2,5

10−10

5,2

5,39

0,1

6,95

6,85

1,3

7,74

7,44

1,54

IV.3 Дослідження розряду й саморозряду КО із МР

Акумуляція електричного заряду

/

/

Рис. IV. 3. 1

До електродів КО зносяться магнітні частки наступними механізмами переносу: кулоновськими силами прямо й кулоновськими силами опосередковано через внутрішнє тертя. У цьому полягає зміст електрофорезу. Завдяки дуже малій рухливості магнітних часток, вони повинні затримуватися в електродів якийсь час і втримувати електричний заряди, так чи інакше пов’язані з магнітними частками. Інші заряди, не пов’язані з масивними частками (комплексами), незабаром релаксируют. Більше того, скупчення магнітних і інших часток в електродів можуть привести до гістерезисних ефектів: магнітному, електричному, кінетичному. Наслідком цього залишкового після діючого явища стає нагромадження між електродами деякої різниці потенціалів. Ця різниця потенціалів була виявлена експериментально на установці.

Висхідну галузь кривої розряду (мал. IV.3. 6) варто віднести на рахунок часу спрацьовування приладу й ГП. Тому можна вважати струм розряду може бути аппроксимирован за законом

де характерні для МР.

Граничні умови не суперечать експериментальному виду кривої розряду: при t=0 I=I0, при t= I=0, що відповідає поводженню експериментального ходу кривій Ic c обліком наступної екстраполяції цього ходу до t=0 логарифмуємо

,

I0, можуть бути визначені або методом найменших квадратів з оцінкою погрішності апроксимації, або за графіком згладженому до прямої.

Очевидно, що

0,43 — модуль переходу від натуральних логарифмів до десяткового;

2,3 — модуль переходу від десяткових логарифмів до натурального.

Визначення параметрів МР по розрядній характеристиці

Експеримент поводився із осередком, що має параметри:

глибина осередку h= 0,8 мм; діаметр осередку 28,1 мм; електроди мідні.

На осередок подавалася напруга 5У в плин 15 сек., потім осередок розряджалася на ГП. У результаті була отримана наступна залежність струму розряду від часу (див. Рис. IV.3.4.). Тому що ГП реєструє зміна напруги, то потрібно зробити перерахування отриманих результатів в одиниці сили струму.

Відомо, що внутрішній опір ГП дорівнює 0,93 Мом, тоді коефіцієнт перерахування дорівнює

Тоді із графіка маємо, що максимальне значення розрядного струму Im p відповідної різниці потенціалів U0= 0,169У дорівнює I= 18,6410−8 А. При цьому розряд МР відбувається за експонентним законом

де — постійна часу розряду або час електричної релаксації дрейфу.

магнітний поле електричний акумуляція

/

/

Час електричної релаксації дрейфу — проміжок часу, за який струм заряду зменшиться в e раз. Його значення можна визначити за графіком. У цьому випадку (= 35 с.

Кількість електрики, що стікає з електродів на навантаження, можна визначити в такий спосіб

По визначенню електричної ємності

тоді з =RC можна визначити електричний опір МР.

провідність можна знайти як величину зворотну опору

Енергію, акумульовану в осередку із МР, знайдемо по формулі

Число носіїв, що беруть участь у переносі заряду можна визначити в такий спосіб.

Нехай всі носії однозарядні, тоді їхнє повне число дорівнює

Виходячи з того, що МР нейтральна, числа N+ і N — і концентрація n+ і n — повинні бути рівні: N+= N — і n+= n-. Заряди обох знаків рухаються в протилежні сторони, це рівносильне тому, що повне число іонів одного знака при тім же заряді дорівнює 2N. Тоді

де q = e заряд іона (e=1,610--19 Кл).

Концентрацію носіїв знайдемо по формулі:

— об'єм КО

— площа КО

Підставивши числові значення, знайдемо

,

Рухливість носіїв заряду визначимо виходячи з наступних міркувань.

Рухливість іона

де v — швидкість дрейфу, E — напруженість електричного поля. Зв’язок напруженості й потенціалу поля визначається співвідношенням

рухливість можна визначити по щільності струму, тому що відомо, що

q — заряд носія

n — концентрація

— рухливість

E — напруженість електричного поля.

Припустимо, що q+ =q -=q, n+ =n -=n і += -=, тоді щільність струму

З (10) маємо, що

, або

Тоді рухливість

— середній питомий опір, яке можна знайти, тому що Відомо опір МР і геометричні розміри КО.

зробивши відповідні розрахунки, одержимо

Значення рухливості, знайдене таким чином, є оцінним, тому що в МР є кілька типів носіїв заряду: іони, комплекси молекул-іонів і заряджені частки магнетиту.

Оскільки

З іншого боку

якщо вважати, що q =const, n0 =const, 0=const, що можливо при незмінних умовах t = const, E=0, те

— напруженість внутрішнього поля.

Таким чином, внутрішнє електричне поле, утворене розосередженими электрофорезом носіями заряду, змінюється як і струм за експонентним законом.

Проведені дослідження показують, що

КО із МР не є простим конденсатором;

в осередку з акумулюється заряд;

процес акумуляції заряду зв’язаний зі специфічністю МР.

До основних специфічних властивостей МР ставляться:

плинність;

наявність масивних малорухомих носіїв заряду;

сильні електромагнітні взаємодії;

великий час (заповнювача (МР).

ОЦІНИМО ПОГРІШНІСТЬ ВИМІРІВ.

При визначенні величини заряду, що нагромаджується МР у КО застосовувалася формула

у якій I0 і були знайдені експериментально за допомогою ГП.

Відомо, що

логарифмуємо отримане вираження

тоді відносна погрішність при визначенні заряду буде дорівнює

де — відносна погрішність у визначенні сили струму,

— відносна погрішність у визначенні часу.

При визначенні концентрації використовувалася формула

Відносна погрішність у цьому випадку

Глибина й діаметр осередку вимірялися штангенциркулем із ціною розподілу 0,1 мм. Абсолютна погрішність вимірів склала, тоді відносні погрішності при визначенні глибини h і діаметра d будуть рівні відповідно

тоді.

При визначенні рухливості застосовувалася формула

тоді відносна погрішність

, те

відносна погрішність при визначенні опору

відома з інструкції моста, яким був обмірюваний опір.

Таким чином

Дослідження розрядної характеристики МР.

/

/

Для досліджень застосовувалася схема (мал. IV.3. 5).

ДЖ- джерело харчування ИЕПП-2;

КО — кондуктометрическая осередок

ДП — двухполюсный перемикач;

ГП — графобудівник.

/

/

У положенні 1 перемикача ДП від джерела харчування через осередок протягом часу заряду tз пропускається струм. Потім ДП переводився в положення 2. При цьому через ГП при відсутності джерела харчування по ланцюзі тече струм розряду, що починається з пікового значення Im p і сягаючого нуля через кілька секунд по кривій, що нагадує криву розряду конденсатора. У записі крива має вигляд показаний на мал. IV.3.6.

Експеримент проводився в наступних напрямках. Досліджувалося:

вплив тривалості заряду (tз) при заданому Uз на максимум величини Um p, досягнутий при заряді;

вплив величини зарядної напруги Uз на Im p;

вплив часу саморозряду осередку на хід кривої;

вплив температури на процес заряду й наступного розряду (на і Im p);

вплив температури на саморозряд і наступний розряд на зовнішнє навантаження (на, tср, Im p);

зіставлення кривих розряду із кривими саморозряду.

Були отримані наступні результати.

Вплив тривалості заряду при заданому Uз на максимум величини Um p.

/

/

/

/

Для МР установлено, що «насичення» одержуваної залишкової напруги на КО практично завершується до кінця 4-й секунди. Виникає питання про можливості даної рідини до нагромадження залишкового заряду. Була поставлена серія експериментів. На К О, заповнену те ж МР, подавалися різні напруги й здійснювався заряд КО протягом якогось часу, достатнього для досягнення насичення. Була побудована крива, що показує, що збільшення тривалості заряду не збільшує пікового значення Um p. З’ясували, що при збільшенні Uз, Um p збільшується, але не досягає значення Uз. Так при

Uз=13У, Um p=0,138У, тобто Um p< <Uз

Вплив величини зарядної напруги на Im p.

При збільшенні Uз збільшується площа під кривій (мал. IV.3. 7). Т. е. збільшується кількість електрики, накопиченого осередком, що очевидно. З експерименту були обчислені наступні параметри: Q,, R.

Всі дані наведені в таблиці 3.

Були побудовані залежності:

(Uз) — мал. IV.3. 8

Q (Uз) — мал. IV.3. 9

З ростом Uз збільшується час, з яким можна зв’язати час релаксації, але вважати їх рівними не можна.

Таблиця 3. Вплив величини заряджаючої напруги на Im p tзар = 60 сек.

Uзар, В

5

8

13

Im p10−8 A

76,85

83,52

88,74

Um p, В

0,331

0,36

0,383

, з

240

245

258,75

Q10−4 Кл

1,84

2,04

2,29

R1010 Ом

2,47

2,61

2,9

/

/

Вплив часу саморозряду осередку на хід кривої.

Протягом часу tзар = 60 с. Осередок заряджався Uзар=8У (5У, 13У). потім осередок відключався від джерела харчування й протягом tср розряджалася сама на себе. Після закінчення часу tср осередок включався в ланцюг і розряджалася на ГП — знімалася залишкова розрядна характеристика.

Було з’ясовано, що при збільшенні tср Im p зменшувалося (мал. IV.3 10).

Визначено параметри, Q, R, Um p, які занесені в таблицю 4.

Були побудовані залежності

(tср) — мал. IV.3. 11

Q (tср) — мал. IV.3. 12

Um p (tср) — мал. IV.3. 13

Можна зробити наступні висновки

с ростом tср незначно збільшується;

с ростом tср Q зменшується за лінійним законом;

с ростом tср Um p зменшується по експоненті.

Таблиця 4. Залежність розрядного струму від часу саморозряду Uзар=8У, tзар=1 хв

t порівн, c

0

5

10

30

60

90

120

Im p10−8 А

82,07

72,5

67,88

53,36

34,22

32

27,3

Um p, В

0,354

0,313

0,293

0,23

0,148

0,138

0,12

, з

248,75

278,75

310

315

322,5

326,3

351,25

Q10−4 Кл

2,04

2,02

2,01

1,69

1,1

1,04

0,9

R104 Ом

43,6

43,21

43,23

42,9

43,4

43,28

46,8

/

/

/

/

/

/

IV. 4

Вплив температури на розряд і саморозряд КО із МР

Рідина досліджувалася при температурах

294 К, 305 К, 315 К, 325 К

Отримано такі результати:

1. при збільшенні

2.

.

зменшується, зменшувана площа під кривою розрядного струму (мал. .4. 1)

2. при збільшенні температури КО швидше розряджається, тобто зменшується час.

Обчислено параметри

, ,

які занесені в таблицю 5

Побудовано залежності:

— мал. .4. 4, — мал. .4. 5

Кількість електрики з ростом температури убуває.

Таблиця 5. Вплив температури на розряд МР у КО tcр. = 0 с.

294

305

315

325

, А

18,64

17,71

5,88

2,68

, В

0,169

0,161

0,053

0,026

, з

35

34

31,5

14

6,52

6,02

1,85

0,4

92

91,9

90

93

/

/

/

/

/

/

5. Вплив температури на час саморозряду КО

Була заповнена таблиця 6.

Побудовано залежності

Зі збільшенням температури осередок накопичує менший заряд; накопичений заряд швидше стікає з КО при збільшенні температури; час із ростом температури убуває по спадаючій кривій досить швидко. Подібне поводження МР говорить про те, що з ростом температури МР її рухливість збільшується, в’язкість зменшується й зменшується різниця потенціалів між електродами осередку. Кількість накопиченої електрики з ростом температури зменшується й слабко залежить від

Таблиця 6. Саморозряд при різних температурах

294

, з

0

5

10

30

45

, А

18,64

7,7

6,27

4,29

3,08

, В

0,169

0,07

0,057

0,039

0,028

, з

35

62

74

93,5

110

6,52

4,77

4,64

4,01

3,38

305

, з

0

0

5

10

30

45

60

, А

18,64

17,71

14,80

14,08

12,49

2,97

2,42

, В

0,169

0,161

0,134

0,128

0,114

0,027

0,022

, з

35

34

31,5

30,5

29

101,5

11,3

6,52

6,02

4,66

4,29

3,62

3,02

2,69

315

, з

0

0

5

10

30

45

60

, А

18,64

5,88

4,23

3,74

2,53

1,6

0,77

, В

0,169

0,053

0,039

0,034

0,023

0,0148

0,007

, з

35

31,5

36

33

40

56

60

6,52

1,85

1,52

1,23

1,01

0,89

0,46

315

, з

0

0

5

10

30

45

60

, А

18,64

2,86

2,2

1,54

0,99

0,6

0,002

, В

0,169

0,026

0,02

0,014

0,009

0,055

0,002

, з

35

14

23

24

24

24,5

37

6,52

0,4

0,5

0,36

0,23

0,15

0,007

/

/

6. Проведення зіставлення кривих розряду й саморозряду.

З великим ступенем точності часи для всіх кривих залишкового саморозряду збігаються Облік. при накладенні max значень струмів залишкового розряду на криву повного розряду дозволяє провести зіставлення механізмів розряду й саморозряду на зовнішній опір. З мал. ((.4.7 видно, що всі крапки max значень струмів залишкового розряду задовільно лягають на криву розряду, який не піддався саморозряду. Це можна розуміти як збіг механізм розряду й саморозряду, тобто механізм останнього також є дифузійним.

/

/

5 Вплив М П на провідність МР

Допустимо, що на провідність (опір) МР повинне діяти МП, тому що МР є рідиною що намагнічується. Елементарними структурами, що забезпечують ця властивість є магнітні диполі, що володіють електричним зарядом, носіями яких є частки магнетика. Але для цього диполі повинні брати участь у провідності, а це можливо, якщо вони мають электр. заряд. так як на диполі дія МП далеко, те подвійно й дія МП на опір, причому можна чекати, що обидві компоненти руху диполя змінюється. І його поступальний компонент ефективніше подіє на рухливість, тому що обертальна частина нетривала. Обертання виникає й в ОМП і в ИМП, а поступальне можливо тільки в ИМП.

Перевірити вплив ИМП на провідність МР можна в такий спосіб.

1. Вимір опору мостом спочатку поза полем, а потім в ИМП і результати зрівняти.

Досвід показав відсутність розбіжності

Н = 0

R = 0,39 Мом

H1 = 10 мТл

R = 0,39 Мом

Н1 = 20 мТл

R = 0,39 Мом

Н2 = 10 мТл

R = 0,39 Мом

Н2 = 20 мТл

R = 0,39 Мом

2. Подати на осередок напруга й записувати графобудівником.

/

/

Так як R = const, те графобудівник вичерчує пряму лінію, паралельну осі абсцис.

3. Перевірити вплив ИМП на струм розрядки при акумуляції заряду в КО із МР.

Були отримані наступні результати

2. На всім протязі ВАХ поперечне МП (мал.) не робить дії на дрейф носіїв. Це може означати, що при використаних полях і порівняно малих швидкостях сила Лоренца

що діє компланарне, тобто

/

/

паралельно електродом, не відволікає навіть частки носіїв з потоку, через порівняно великий перетин S осередку. Продовжене поле зовсім не діє на носії, тому що

т.к.

Замінити в нашій методиці вплив МП на струм через вплив на магнітні диполі можна, якщо:

а) магнітні диполі мають заряд;

б) МП паралельно швидкості

/

/

в) МП одернування, а градієнт індукції також паралельний або антипаралельний швидкості

(, див. мал.)

В експерименті прямої дії МП на струм через МР не виявлено

3. Якщо К О із МР помістити в ИМП так, що

, а й

але між електродами виникає різниця потенціалів. Це можна пояснити так: магнітні диполі, поміщені в ИМП, що втручається в область сильного поля, тому що вони попередньо розгорнулися по полю. Якщо на їхніх оболонках є нескомпенсовані заряди електрики, то в КО виникає неравновісность ел. заряду із градієнтом потенціалу

, зв’язкам з

де — поле, обумовлене магнитофорезом, а — об'ємна щільність електричного заряду.

Під час досвіду постійний магніт або підносився під КО, або ставився зверху. При цьому осередок повинна бути виключена. Перед розрядом магніт повільно вбирається на достатню відстань, а потім КО включається на навантаження.

1) Насамперед було встановлено, що величина сильно залежить від часу витримки осередку в поле, але чіткої закономірності замічено не було (мал. 10, 11)

2) розмірність розрядного струму незалежно від напрямку індукції МП в осередку не мінялася.

Всі отримані результати привели до висновку:

1. Розрядний струм КО, зарядженої під дією ИМП аналогічний розрядному струму після пропущення через КО постійного струму.

2. Напрямок розрядного струму КО, зарядженої ИМП не залежить від напрямку ИМП.

Узагальнюючи результати, можна сказати, що МП не впливає на акумуляцію заряду в КО, тому що можливо, що МР не містить магнітних диполів, що володіють некомпенсованим зарядом, або їхня концентрація мала.

/

/

ВИСНОВОК

1.1. Підтвердилася залежність форми ВАХ від темпу напруження осередку при постійній напрузі харчування: чим більше, тим менше більша піввісь ВАХ і визначена незалежність

від (при)

2. Не підтвердилася залежність форми ВАХ від температури; і визначена

— з ростом температури росте.

3. Залежність

від ()

наступна: чим більше, тим більше

від ()

чим більше, тим більше

4. Залежність

, від

виявилося наступна

,

збільшується з ростом температури незначно.

2. Досліджено залежність акумуляції заряду в КО від зарядної напруги й часу саморозряду

1. Підтвердилася залежність акумульованого електричного заряду від

чим більше, тим більший заряд накопичується в осередку.

2. досліджено хід саморозряду й визначений його механізм залежно від часу саморозряду.

3. Зіставлено пікове значення струму саморозряду з ходом розряду КО на навантаження.

3. Досліджено акумуляцію заряду при зміні температури

1. Зіставлені криві

при різних

Т () із кривої

при кімнатній температурі: з ростом температури

зменшується, осередок швидше розряджається.

4. Дія МП на ВАХ і акумуляцію:

1. дія однорідного МП у межах 0 — 0,4 Тл не було виявлено

2. дія неоднорідного МП у межах 0 — 0,15 Тл не було виявлено.

ЛІТЕРАТУРА

1. Актинів А.А. і ін. Про стійкість магнітних рідин до впливу підвищених температур — К., 2004

2. Зубко В.І. і ін. Вплив умов одержання МР на її властивості. — К., 2005

3. Шкіряників В.М. Анизатронія електропровідності дисперсних лінійних систем, наведена зовнішнім впливом — К., 2006

4. Арцимович А. А. Рух заряджених часток в електричному й магнітному полях. — К., 2005.

5. Бронштейн І.І. Довідник по вищій математиці. — К., 2005.

6. Дзаразова Т. П. Практична фізика.: Навчальний посібник. — К., 2007

7. Калашников С. Т. Електрика. — К., 2003

8. Полихрониді І.Т. Акумуляція електричного заряду в осередку із МР. — К., 2007

9. Сивухин Д. В. Загальний курс фізики, т.3. Електрика. — К., 2007.

10. Тамм І.Е. Основи теорії електрики. — К., 2004.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой