Интерес к исследованию поведения капель жидкости в силовых полях связан как с широким применением эмульсий и аэрозолей в технике и быту, так и с чисто научной проблемой изучения движения жидких масс, нередко ведущих себя в условиях невесомости подобно каплям [6, 9, 12]. Новые возможности в таких исследованиях открываются благодаря применению магнитных жидкостей, способных эффективно взаимодействовать как с магнитными, так и с электрическими полями. Магнитные жидкости представляют собой взвесь однодоменных наночастиц ферро- или ферримагнетиков в жидкой среде. В ряде существующих работ подробно изучено поведение капель магнитной жидкости во внешних стационарных и переменных магнитных поля [2-4, 10, 11, 14]. Значительно меньше внимания уделено исследованию поведения капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них магнитных и электрических полей. Некоторые результаты подобных исследований представлены в работах [7, 8, 15], где изучается поведение капель магнитной жидкости при одновременном воздействии на них постоянных магнитного и электрического полей, а также постоянного магнитного и переменного электрического поля. Интерес к подобного рода исследованиям обусловлен возможностью обнаружения в таких условиях новых закономерностей динамики ограниченных объемов жидкости, а также предпринимаемыми в последнее время попытками создания магнитных эмульсий, макроскопические свойства которых определяются микрогеометрией их дисперсной фазы и которыми можно управлять посредством электрических и магнитных полей [1, 5, 13]. Целью настоящей работы является дальнейшее развитие исследований и выявление новых закономерностей динамики формы капель магнитной жидкости, взвешенных в немагнитной жидкой среде, а также диэлектрических микрокапель, помещенных в магнитную жидкость, при воздействии переменных магнитных и электрических полей.
Материалы и методы исследования
В экспериментах использовалась магнитная жидкость на основе керосина с диспергированными в нем наночастицами магнетита, стабилизированными олеиновой кислотой. Поскольку размеры наночастиц (диаметр ~ 10 нм) гораздо меньше размеров исследуемых капель магнитной жидкости, а также помещаемых в магнитную жидкость немагнитных капель, то ее, в данном случае, можно рассматривать как сплошную жидкую намагничивающуюся среду. Плотность применявшейся магнитной жидкости составляла 1620 кг/м3, ее динамическая вязкость 30 мПа·с, магнитная проницаемость 8, диэлектрическая проницаемость 6,2, удельная электрическая проводимость 10-6 См/м. В качестве немагнитной диэлектрической жидкости было использовано масло АМГ-10 плотностью 776 кг/м3, динамическая вязкость которого составляла 14,5 мПа·с, диэлектрическая проницаемость 2,2 удельная электрическая проводимость 10-12 См/м. Выбор этого масла обусловлен тем, что оно не растворяется в магнитной жидкости, и при этом межфазное натяжение на границе масла и магнитной жидкости оказывается относительно малым. Для применявшихся в экспериментах магнитной жидкости и масла оно составляло величину 1,1 10-5 Н/м. Благодаря этому, значительную деформацию исследованных капель удается наблюдать при воздействии относительно слабых магнитных и электрических полей, что упрощает проведение экспериментальных исследований.
Образец для исследования приготавливался путем механического смешивания малого объема одной жидкости в другой с помощью электромеханической мешалки. В результате получалась либо эмульсия масла в магнитной жидкости, либо магнитной жидкости в масле. Приготовленный образец помещался в ячейку, представлявшую собой предметное стекло, на поверхность которого наклеены две прямоугольные металлические пластины, в зазоре между торцами которых создавалось переменное электрическое поле. Для этого на пластины подавалось электрическое напряжение. Зазор между пластинами заполнялся взвесью капель магнитной жидкости в немагнитной среде или немагнитных капель в магнитной жидкости, после чего ячейка закреплялась на столике микроскопа. Из-за возможной поляризации электродов и электрофоретической миграции наблюдаемых капель в постоянном электрическом поле, исследования были проведены в переменном электрическом поле в частотном диапазоне 10 Гц - 200 кГц и при действующем значении напряженности от 0 до 270 кВ/м. Электрическое поле в области расположения отдельной исследуемой капли можно было считать однородным. Вращающееся магнитное поле создавалось двумя парами перпендикулярно установленных катушек Гельмгольца, на которые подавалось синусоидальное напряжение от двухканального генератора со сдвигом фаз p/2. Ячейка с образцом располагалась в области однородного магнитного поля. Напряженность магнитного поля изменялась в диапазоне от 0 до 6 кА/м, частота вращения поля - от 0,5 до 1 Гц.
Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
Вначале было исследовано поведение магнитной капли, взвешенной в немагнитной жидкости. При воздействии вращающегося магнитного поля частотой 9 Гц на первоначально сферическую магнитную каплю она начинала сплющиваться, приобретая форму сплюснутого эллипсоида вращения (a = b > c, здесь полуоси a и b лежат в плоскости поля, с - перпендикулярна ей). Если капля была довольно крупных размеров (~ 20 мкм), то наблюдалась также гребенчатая неустойчивость на границе с окружающей средой. Такое поведение капли связано с тем, что при быстром вращении поля форма капли не успевает следовать за его изменением, вследствие чего и происходит сплющивание капли в плоскости поля и превращение капли. Это возможно, когда период вращения поля меньше характерного времени релаксации формы капли. При воздействии низкочастотного (12 Гц) электрического поля на первоначально сферическую каплю магнитной жидкости наблюдалось ее сплющивание в направлении поля, и капля принимала форму сплюснутого эллипсоида вращения, сечение которого, имеющее максимальную площадь перпендикулярно электрическому полю (a < b = c, здесь ось a параллельна электрическому полю). При воздействии же высокочастотного переменного электрического поля (210 Гц) магнитная капля вытягивалась вдоль направления поля.
Наибольший интерес представляет изучение динамики капли при одновременном воздействии переменного электрического и вращающегося магнитного полей. Было обнаружено, что в этом случае капля магнитной жидкости принимает форму трехосного эллипсоида. На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости отношения полуосей деформированной капли магнитной жидкости от напряженности электрического поля. Измерения проводились путем фотографирования капель и последующей компьютерной обработки полученных изображений. Также были проведены измерения отношения полуосей этой же капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном и высокочастотном (210 Гц) электрическом поле. Поученные зависимости отношения полуосей капли от напряженности электрического поля представлены на рис. 2.
Далее проводились исследования динамики диэлектрической капли, помещенной в магнитную жидкость, при воздействии электрического и магнитного полей. В переменном электрическом поле немагнитная капля вытягивалась вдоль силовых линий поля в независимости от частоты электрического поля, что отличает ее поведение от поведения капли в магнитной жидкости. Во вращающемся высокочастотном ( > 9 Гц) магнитном поле наблюдалось сплющивание диэлектрических капель в плоскости вращения поля. При этом в низкочастотном (0,9 Гц) вращающемся магнитном поле диэлектрическая капля вытягивалась вдоль поля, после чего наблюдалось вращение ее формы вслед за направлением поля.
Рис. 1. Зависимость отношения полуосей деформированной капли от напряженности электрического поля (f = 12 Гц), полученная для капли радиусом 10,5 мкм при Н = 5 кА/м
Рис. 2. Зависимость отношения полуосей деформированной капли от напряженности электрического поля (f = 210 Гц), полученная для капли радиусом 10,5 мкм при Н = 5 кА/м
Рис. 3. Зависимость отношения полуосей деформированной немагнитной капли от напряженности электрического поля (f = 12 Гц), полученная для капли радиусом 16,8 мкм при Н = 4,5 кА/м
Рис. 4. Траектория движения конца капли во вращающемся магнитном поле при различной напряженности электрического поля
Воздействие дополнительного переменного электрического поля на сплющенную в высокочастотном (9 Гц) вращающемся магнитном поле диэлектрическую каплю приводит к тому, что она принимает форму трехосного эллипсоида. Были измерены зависимости отношения полуосей деформированной капли от напряженности электрического поля (рис. 3). Обозначения полуосей аналогичны представленным выше. При одновременном воздействии низкочастотного (0,9 Гц) вращающегося магнитного поля и переменного электрического поля на немагнитную каплю наблюдалось изменение траектории вращения полюса вытянутой капли. Первоначально круговая траектория при низких значениях напряженности электрического поля переходила в эллиптическую, а затем, с ростом напряженности электрического поля, происходило колебание полюса (конца) капли относительно оси вращения. Для визуализации описанных явлений была построена траектория движения конца капли в низкочастотном вращающемся магнитном поле при различных напряженностях электрического поля, которая представлена на рис. 4.
Заключение
Таким образом, на основе результатов проведенных исследований можно заключить, что одновременное действие электрических и магнитных полей приводит к новым закономерностям деформации капель жидкости. Это, в свою очередь, может приводить к существенному изменению структурного состояния таких систем, как магнитодиэлектрические эмульсии, что позволяет сделать вывод о возможности регулирования макроскопических электрических свойств таких сред магнитным полем, и наоборот, магнитных свойств посредством воздействия электрическим полем. Это позволяет ожидать проявления интересных закономерностей макроскопических свойств магнитодиэлектрических эмульсий при воздействии на них внешних полей.
Рецензенты:
-
Дерябин М.И., д.физ.-мат.н., профессор, профессор кафедры общей физики СГУ, г. Ставрополь;
-
Ерин К.В., д.физ.-мат н., доцент, профессор кафедры общей физики СГУ, начальник НИЧ СГУ, г. Ставрополь.
Работа поступила в редакцию 05.06.2012.