CC BY
15
Indignation of an electromagnetic field at elastic fluctuations of the magnitozhidnostny cylinder
Besedin A.1, Paukov V.2, Lupandin V.3, Egorov I.4 (Russian Federation) Возмущение электромагнитного поля при упругих колебаниях магнитожидкостного
цилиндра
Беседин А. Г.1, Пауков В. М.2, Лупандин В. В.3, Егоров И. С.4 (Российская Федерация)
]Беседин Александр Геннадьевич /Besedin Alexander - доцент;
2Пауков Владимир Митрофанович /Paukov Vladimir - доцент, кафедра общей и прикладной физики, естественно-научный факультет;
3Лупандин Владислав Валерьевич /Lupandin Vladislav - студент;
4Егоров Илья Сергеевич /Egorov Ilia - студент, кафедра информационных систем и технологий, факультет фундаментальной и прикладной информатики,
Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ), г. Курск
Аннотация: в статье описываются процессы, происходящие в магнитной жидкости, заполняющей трубку с донышком, транспорт и удержание воздушной полости силами магнитной левитации. Рассматриваются упругие и диссипативные свойства колебательной системы, инерционным элементом которой служит столбик магнитной жидкости над воздушной полостью.
Abstract: in the article the process of the air cavity formation in the magnetic fluid, filling a tube with a bottom, the transport and the retention of the cavity be the magnetic levitation forces, is described. We consider the elastic and dissipative properties of the oscillation system, the inertial element of which serves as the magnetic fluid column over the air cavity. The possibility of the transported air cavity as the sound wave movable reflector is estimated.
Ключевые слова: магнитная жидкость, магнитная левитация, столбик магнитной жидкости, колебательная система, упругость колебательной системы.
Keywords: a magnetic fluid, a magnetic levitation, an air cavity, MFcolumn, oscillatory system, elasticity of oscillatory system.
Синтезированные в середине 60-х годов ХХ века жидкие ферромагнетики - магнитные жидкости (МЖ), представляют собой коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных веществ в обычных жидкостях [1]. При получении МЖ решается одна из важнейших задач коллоидной химии - получение наночастиц твердого материала и диспергирование его в жидкости-носителе [2]. При столь малых размерах частицы становятся однодоменными [3]. В отсутствие магнитного поля и в полях, при которых парапроцесс несущественен [4], однодоменные частицы можно считать намагниченными до насыщения. Их магнитный момент m*=VMso [5], где V - объем частицы. Намагниченность насыщения Mso зависит от размера частиц и падает при его уменьшении; при типичных для магнитных коллоидов размеров частиц Mso составляет~50 % от соответствующей величины многодоменного материала. Уменьшение Mso связывается с дефицитом соседей по обменному взаимодействию в поверхностном слое или химическими изменениями поверхностного слоя частиц. Между частицами в коллоидном растворе действуют силы Вандер-Вальса, которые являются короткодействующими и велики лишь при тесном сближении частиц. Их относят к поверхностным. Кроме поверхностных между частицами магнитных коллоидов действуют силы, обусловленные наличием у частиц постоянного магнитного момента. Энергия дипольного взаимодействия пары одинаковых феррочастиц (ФР) может быть представлена в следующем виде:
U = -2^om4./3r6koT, где д0 - магнитная постоянная; m* - магнитный момент частицы; r - расстояние между частицами; к0 - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура.
Энергия магнитного взаимодействия с расстоянием падает значительно медленнее, чем энергия вандерваальсовского взаимодействия, т. е магнитные силы являются дальнодействующими. При сближении частиц они приводят к слипанию их, агрегированию дисперсной фазы, в результате чего коллоидный раствор утрачивает устойчивость. Условие существования МЖ как устойчивого коллоидного раствора сводится к тому, чтобы энергия магнитостатического взаимодействия магнитных диполей U составляла малую долю от тепловой энергии частиц k0T.
Агрегативная устойчивость коллоидов достигается путем создания на поверхности частиц защитных оболочек, препятствующих слипанию частиц в агрегаты. Первоначально технология получения развивалась преимущественно по пути измельчения грубодисперсных ферромагнитных частиц [6]. Данный метод позволяет получить магнетитовые, ферритовые жидкости, а также жидкости на основе классических ферромагнетиков Fe, Ni, Co. Альтернативной как в плане снижения затрат, так и в плане существенного повышения производительности оказалась технология получения МЖ на основе химической конденсации
[7]. Химическая конденсация заключается в осаждении частиц магнетика из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа избытком концентрированного раствора щелочи:
2FeCl3+FeCl2+8NaOH —избыток NaOH—>Fe3O4 |+8NaCl+4H2O.
Полученный осадок коллоидных частиц переводится в жидкость-носитель при помощи метод пептизации, суть которого заключается в образовании на поверхности частиц слоя молекул ПАВ. В результате происходит разъединение частиц и последующее диспергирование в жидкости-носителе. Пептизацию проводят, добавляя при подогревании до 70-1000С и перемешивании к осадку магнетита раствор жидкости-носителя и ПАВ. Применяемые наиболее часто для получения МЖ магнетит и олеиновая кислота в отношении максимальной намагниченности с учетом простоты технологии являются оптимальными компонентами [7]. Большое влияние на величину намагниченности насыщения и устойчивость МЖ оказывают особенности процесса синтеза МЖ: скорость прилива раствора солей железа к щелочи и интенсивность перемешивания реакционной смеси, выбор осадителя, температурный режим. Кроме того, определенным образом на свойства конечного продукта влияют «внутренние» факторы технологического процесса: вид и концентрация магнитной фазы, размер ФЧ, способ стабилизации, тип концентрация стабилизации. Взаимодействие частиц в магнитных коллоидах при определенных условиях приводит к образованию структуры из ФЧ-флоккул, гранул, цепей, кластеров, пространственной сетки, каплеобразных агрегатов [8], которая существенным образом сказывается на магнитных свойствах МЖ. Два механизма способствуют коагуляции магнитных коллоидов - молекулярное притяжение между взвешенными частицами и специфическое для ФЧ диполь - дипольное взаимодействие.
Между частицами, покрытыми слоем длинных цепочных молекул, при их соприкосновении возникает сила отталкивания, называемая стерической. Стерическое отталкивание возникает [9] из-за искривления длинных молекул и повышения их локальной концентрации в зоне пересечения сольватных слоев. При длительном контакте частиц избыток гибких звеньев молекул ПАВ может перераспределиться на большой объем или на весь адсорбционный слой при достаточной поверхностной подвижности адсорбированных молекул. Вместе с тем существует зависимость сил отталкивания от времени контакта частиц, указывающая на то, что эти силы не являются чисто потенциальными.
МЖ, полученные на различной основе и с вариациями технологии, можно с известной степенью условности подразделить на три типа. К первому типу относятся устойчивые жидкости, с линейными размерами частиц дисперсной фазы 10 нм, в которых отсутствуют агрегаты в однородных магнитных полях с напряженность 500-800 кА/м. Ко второму типу относятся устойчивые МЖ, в которых агрегация магнитных частиц развивается, начиная с более-менее определенного порогового значения напряженности магнитного поля. Третий тип в основном объединяет малоустойчивые жидкости, дающие заметный осадок в результате непродолжительного отставания (от нескольких часов до нескольких суток); в них агрегаты существуют и в отсутствие магнитного поля.
Магнитные жидкости используются в качестве герметизаторов, они имеют преимущество по сравнению с манджетными герметизаторами. Это - отсутствие контактного давления, высокая гермитичность и простота эксплуатации. Магнитно-жидкостные герметизаторы устанавливают на турбиновинтовые и центробежные компрессоры, вентиляторы и воздуходувки лопастного типа. Кроме того, магнитожидкостные герметизаторы нашли применение в ядерной технике и ускорителях заряженных частиц.
Литература
1. Баштовой В. Г., Берковский Б. М., Вислович А. Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей, М, ИВТЫН, 1985, С. 188.
2. The effect of magnetophoresis and Brownian diffusion on the levitation of bodies in a magnetic fluid.
3. Bashtovoi V. G., Polevikov V. K., Suprun A. E., Streets A. V., Beresnev S. A. Magnetohydrodynamics, vol. 44, no. 2, p. 121-126, 06/2008.
4. Lee J. H., Nam Y. J., Yamaner R. Position feedback control of a nonmagnetic body levitated in magnetic fluid // Journal of Physics; Conference Series 2009, № 149. P. 1-5.
5. Sound speed in a non-uniformly magnetism magnetic fluid / S. G. Yemelyanov, V. M. Polunin, A. M. Storozhenko, E. B. Postnikov, P. A. Ryapolov // Magnetohydrodynamiks, 2011,Vol. 47, № 1, P. 29-39.
6. Полунин В. М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях, М., ФИЗМАТЛИТ,2008. С. 208.
7. Полунин В. М. О методике экспериментального исследования нормальных волн в тонкой упругой цилиндрической оболочке, заполненной жидкостью // Акустический журнал 1989, Т. 35, № 3. С. 557-559.
8. Рэлей Дж. У. Теория звука 2-е издание. М.: ГИТТЛ, 1955, Т. 2, С. 475.
9. Рэлей Дж. В. Теория звука. 2-е изд. М.: ГИТЕЛ. 1955. Т. 2. С. 475.
10. Polunin V. M., Shabanova I. A., Khotynyuk S. S. Study of the kinetic and strength properties of magnetofluid membranes // Magnetohydrodynamics. 2010. Vol. 46. No. 3, pp. 299-308.
11. Карпова Г. В., Полунин В. М., Постников Е. Б. Экспериментальное исследование магнитожидкостного резонатора // Акустический журн. 2002. Т. 48. № 3. С. 354-357.
12. Ржевкин С. Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960. С. 336.
13. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика // Гидродинамика. М.: Наука. 1988. Т. 6. С. 736.
14. Devin C. Survey of thermal, radiation and viscous demping of pulsating air bubbles in water // J. Acoust. Soc. Amer. 1959. Vol. 31, № 12. P. 1654-1667.
15. Чабан И. А. О затухании колебаний газового пузырька в жидкости, связанной с теплообменом // Акустический журн. 1989. Т. 35. № 1. С. 182-183.
Лепендин Л. Ф. Акустика. М.: Высш. шк., 1978. С. 448.
