ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С МЕЛКОДИСПЕРСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С МЕЛКОДИСПЕРС­НЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Ю.Л. Смерек

 

THE CONDUCTIVITY OF MAGNETIC LIQUID WITH FINE-DISPERSION FILLER IN MAGNETIC FIELD

J.L. Smerek

 

The research results of investigation of mag­netic liquid electric features with fine-dispersion conducting non-magnetic filler (graphite powder) are represented. Anisotropy of conductivity of the investigated medium under the magnetic field effect has been discovered.

 

В работе представлены результаты иссле­дования электричесних свойств магнитной жид-ности с мелкодисперсным проводящим немаг­нитным наполнителем (графитовая пыль). Обнаружена анизотропия электропроводимости исследуемой среды под воздействием магнитного поля.

Смерек Юлия Леонтьевна, аспирантка кафед­ры общей физики Ставропольского государст­венного университета. Область научных интере­сов - электрофизика магнитных жидкостей.

 

Исследованию электропроводности мелкодисперсных магнитных коллоидов в магнитных полях уделялось внимание мно­гими исследователями. Однако, ожидаемого существенного изменения проводимости в результате воздействия на такие системы магнитного поля до настоящего времени об­наружено не было [1]. В настоящей работе приводятся результаты исследований маг­нитных жидкостей с мелкодисперсным на­полнителем - ансамблем проводящих частиц микронных размеров. В случае воздействия магнитного поля на такую композиционную среду, вследствие намагничивания магнит­ной жидкости, омывающей немагнитные включения, последние могут рассматривать­ся как «диамагнитные» частицы, имеющие магнитные моменты, направленные проти­воположно полю. Магнитный момент не­магнитной частицы, помещенной в магнит­ную жидкость, находящуюся в магнитном поле, может быть найден при рассмотрении магнитостатической задачи, аналогичной электростатической для диэлектрического эллипсоида [2]. В этом случае для проекций магнитного момента эллипсоидальной дыр­ки в неограниченном объеме магнитной жидкости нетрудно получить:

где c - магнитная восприимчивость маг­нитной жидкости, Нх и Н - проекции магнитного поля на оси анизотропии формы частицы, п - параметр, играющий роль раз­магничивающего фактора вдоль большой полуоси частицы (вдоль оси X), V — ее объ­ем.

Наличие магнитных моментов у «маг­нитных дырок» анизотропной формы при­водит к возникновению вращающего момен­та, действующего на произвольно располо­женную по отношению к направлению маг­нитного поля частицу, при этом модуль ме­ханического момента, определяемый как

может быть представлен в виде:

где Н - модуль напряженности магнитного поля, ф - угол между направлением напря­женности магнитного поля и большой осью частицы, т0 - магнитный момент частицы в момент, когда направление поля совпадает с большой осью частицы. Таким образом, на­личие магнитных моментов у помещенных в магнитную жидкость, подверженную дейст­вию магнитного поля, немагнитных включе­ний приводит к их ориентации большой по-

луосью вдоль направления поля (в случае частиц анизотропной формы), кроме того, как показано в [3], вследствие их взаимодей­ствия, они могут объединяться, образуя це­почечные структуры.

Эти процессы должны приводить к возникновению анизотропии различных фи­зических свойств таких сред, в частности их электрической проводимости. С целью про­верки этого предположения были проведены исследования сопротивления слоя магнит­ной жидкости с дисперсным проводящим наполнителем. Для исследования электриче­ского сопротивления использовалась стан­дартная измерительная ячейка с плоскими круглыми электродами, с зазором между ними 2 мм. После заполнения ячейки иссле­дуемой средой, она помещалась в намагни­чивающую систему, позволяющую получать однородное магнитное поле напряженно­стью до 10 кА/м. В качестве немагнитного проводящего наполнителя использовалась графитовая пыль, при этом средний размер графитовых частиц составлял около 6 мкм. Сопротивление слоя магнитной жидкости, находящегося между электродами ячейки, измерялось с помощью цифрового омметра типа Щ34, кроме того, исследовались вольт-амперные характеристики этого слоя.

 

Рис. 1. Зависимость сопротивления слоя магнитной жидкости (1) и относительной разности сопротивле­ний в случае перпендикулярных и сонаправленных электрического и магнитного полей (2) от объемно­го содержания дисперсного наполнителя.

 

В результате проведенных исследо­ваний было установлено, что электрическое сопротивление магнитной жидкости при добавлении в нее дисперсных проводящих частиц увеличивается пропорционально их объемному содержанию (рис. 1, кривая 1). Как и следовало ожидать, электрическая проводимость исследованной магнитной жидкости с проводящим дисперсным на­полнителем существенным образом зависит от величины и направления (по отношению к направлению линий тока) магнитного по­ля. Как видно из рисунка 2, сопротивление слоя исследованной магнитной жидкости увеличивается при повышении напряжен­ности магнитного поля в случае его ориен­тации перпендикулярно напряженности электрического поля (линиям тока) и уменьшается, когда направления магнитно­го и электрического полей совпадают (кри­вые 1 и 2 соответственно). При этом разность между значениями сопротивления в случае, когда электрическое и магнитное поля перпендикулярны и сонаправлены, оп­ределяется величиной объемного содержа­ния немагнитных проводящих включений и может достигать 20% (рис.1, кривая 2). За­висимость электропроводности исследуемой среды от величины и направления магнит­ного поля подтверждается и результатами исследования ее вольт-амперных характе­ристик, представленных на рисунке 3, где кривые 1 и 3 получены в магнитном поле, напряженность которого направлена парал­лельно и перпендикулярно линиям тока со­ответственно, кривая 2 получена при отсут­ствии магнитного поля. Как уже было указа­но, сопротивление слоя магнитной жидкости при добавлении в нее графитовых частиц увеличивается. По-видимому, это связано с образованием на их поверхности слабо про­водящего слоя, так что они оказываются изолированными друг от друга. При этом, будучи проводящими, в электрическом поле они приобретают электрический момент, выражение для которого, в случае формы частицы близкой к эллипсоидальной может быть записано, согласно [2] в виде:

где пх - деполяризующий фактор частицы вдоль оси, совпадающей с направлением поля. Действие магнитного поля приводит к объединению частиц в цепочечные агрегаты и ориентации их определенным образом от­носительно направления электрического по­ля. В частности, в случае ориентации боль­ших осей частиц вдоль электрического поля и образования цепочек их электрические моменты увеличиваются за счет уменьшения деполяризующего фактора, что приводит к увеличению электрического момента всего слоя композиционной магнитной жидкости. В результате этого, емкость плоского кон­денсатора, заполненного исследуемой сре­дой также увеличивается (рис. 4, кривая 1). Напротив, действие магнитного поля на­правленного перпендикулярно электриче­скому полю (вдоль плоскостей конденсато­ра) приводит к уменьшению его емкости при увеличении напряженности магнитного поля (рис. 4, кривая 2). Очевидно, изменение емкости конденсатора, заполненного маг­нитной жидкостью с дисперсным графито­вым наполнителем можно связать с измене­нием ее эффективной диэлектрической проницаемости при воздействии магнитного поля.

 

Рис. 2. Зависимость сопротивления слоя магнит­ной жидкости от величины и направления маг­нитного поля: 1- вектор напряженности магнит­ного поля Н перпендикулярен напряженности электрического поля Е, 2 - Н 11Е.

 

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики магнит­ной жидкости с мелкодисперсным графитовым наполнителем: 1 - напряженность магнитного поля Н параллельна линиям тока, 2 - магнитное поле отсутствует, 3 - Н перпендикулярно лини­ям тока. (В обоих случаях Н= 10,7кА/м).

 

Рис. 4. Зависимость емкости измерительной ячейки, заполненной магнитной жидкостью с мелкодисперсным графитовым наполните­лем, от напряженности магнитного поля Н; 1 -Н 11 E, 2 - HIE.

 

Таким образом, проведенные исследо­вания позволяют утверждать, что вследствие ориентации немагнитных частиц, помещен­ных в магнитную жидкость, их взаимодей­ствия и образования в результате этого

структурной анизотропии, электрическая проводимость таких магнитных жидкостей становится зависимой от величины и на­правления магнитного поля. Это указывает на возможность управления электрическими свойствами магнитных жидкостей с мелко­дисперсным наполнителем с помощью маг­нитного поля, что может найти применение в приборостроении и технике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. -Минск: Вышейшая школа, 1988. - 184 с.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Электродинами­ка сплошных сред. —М.: Наука. - 1982. 623 с.

3. Блум Э.Я., Майоров ММ., Цеберс А. О.. Маг­нитные жидкости. - Рига: Зинатне, 1989. -386 с.