Особенности реологических свойств магнитной жидкости, обусловленные ее структурной организацией в электрическом поле

ОСОБЕННОСТИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЕЕ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Ж.Г. Вегера, Ю.И. Диканский, Ю.А. Ларионов

THE PECULIARITIES OF MAGNETIC FLUID RHEOLOGICAL FEATURES SPECIFIED BY ITS STRUCTURAL ORGANIZATION IN ELECTRIC FIELD

Vegera Zh.G., Dikansky Yu.I.,

Larionov Yu.A.

The article presents the experimental research results concerning the occurrence of structural lattices in moving magnetic fluid under the influence of electric and magnetic fields. It is shown that discovered structural organisation of such a medium leads to the peculiarities of its optical and rheological features.

В статье приведены результаты экспериментального исследования возникновения структурных решеток в движущейся магнит-нойй жидкости при воздеййствии электрического и магнитного полейй. Показано, что обнаруженная структурная организация такойй среды приводит к особенностям ее оптических и реологических свойств.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Минобразования России (А03-2.9-783) и гранта РФФИ 04-02-16901.

УДК 537.84

Ранее нами сообщалось [1] об особенностях формирования периодических структурных решеток лабиринтного и полосчатого типа в тонких слоях магнитных жидкостей при воздействии постоянного электрического поля. В настоящей работе приводятся экспериментальные результаты исследования возникновения подобных структур в движущейся магнитной жидкости, а также влияния процессов структуро-образования на реологические и оптические свойства такой среды.

В качестве объекта исследования использовалась магнитная жидкость типа магнетит в керосине с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Намагниченность насыщения исследованного образца составляла 49 кА/м, объемная концентрация дисперсной фазы - 10,6 %, динамическая вязкость 5-10 3 Па-с.

Наблюдение структуры, возникающей в тонком слое движущейся магнитной жидкости, осуществлялось с помощью оптического микроскопа и цифровой видеокамеры, кроме того, исследовалось дифракционное рассеяние света на сформировавшейся структуре, для чего использовался луч гелий-неонового лазера. Измерение интенсивности рассеянного света осуществлялось с помощью фотоэлемента с диафрагмой или миниатюрного фоторезистора в зависимости от конкретных целей эксперимента.

Реологические исследования проводились с помощью вискозиметрической установки (рис. 1) с плоским каналом 2 прямоу-

1:1=1*1

11111111111111111111111111111111111»

1 - Резервуары для исследуемой жидкости;

2 - вертикальный канал;

3 - сообщающиеся сосуды;

4 - калиброваная трубка;

5 - кран для подачн давления;

6 - спускные краны.

гольного сечения (размеры 35x0,05x10 мм), изготовленным из стекла с токопроводящим покрытием на внутренних стенках. Для создания течения в канале одно плечо вискозиметра соединялось с системой сообщающихся сосудов 3, заполненных водой. Разность уровней жидкости, заполняющей сосуды, определяла то давление Ар, под действием которого осуществлялось течение магнитной жидкости в капилляре из одного резервуара в другой и обратно. Объем перекачиваемой жидкости составлял 0,1 см3 и контролировался по перемещению керосиновой капли в калиброванной стеклянной трубке 4, соединенной с одним из резервуаров. Для создания электрического поля на внутренние стенки капилляра подавалось напряжение от высокостабилизированного

Рис. 1. Вискозиметрическая установка.

источника, однородное магнитное поле создавалось с помощью катушек Гельмгольца.

Экспериментально измеряемыми величинами являлись объемный расход Q и перепад давления на канале Ар. Для определения вязкости магнитной жидкости П = т / у , где т - тангенциальное напряжение, у - скорость сдвига, переход от координат Q( Ар) к зависимости т = т(?&) осуществлялся по методике, приведенной в [2].

Было установлено, что воздействие электрического поля приводит при некотором значении его напряженности к возникновению полосчатой структурной решетки с направлением полос вдоль силы тяжести. (рис. 2 а).

Рис. 2а.

Рис. 26.

i:I_IjI

Рис. За.

Рис. Зб.

Использование луча лазера позволяет в этом случае получить дифракционную картину, представленную на рис. 26. Расчеты периода структурной решетки в этом случае при использовании условия дифракционного максимума d sin ф = кЛ дают значение, близкое к измеренному с помощью оптического микроскопа при использовании объект-микрометра (d=5-7 мкм).

При создании в ячейке течения структура претерпевает существенные изменения. Так, первоначально возникшая под воздействием постоянного электрического поля полосчатая структурная решетка трансформируется в потоке в систему вытянутых вдоль скорости потока нитевидных образований. (рис. За, f =100 с"1). Достаточно хорошая регулярность структурной решетки, полученной при наличии течения, позволяет получить характерную для таких решеток дифракционную картину в виде чередующихся темных и светлых пятен (рис. Зб).

Вместе с тем, расчеты, проведенные при использовании условия дифракционного максимума в этом случае оказались в плохом соответствии с измеренными с помощью оптического микроскопа. По-видимому, это связано с многослойностью и подвижностью структурной решетки, сформировавшейся при одновременном действии электрического поля и гидродинамического течения.

Существенное влияние на структурные решетки, сформировавшиеся в электрическом поле, оказывает дополнительное действие постоянного магнитного поля; с

его помощью можно как регулировать величину периода структурных решеток, так и полностью изменять их характер.

Наличие структурных образований в исследуемой среде должно приводить к особенностям ее реологических свойств. Однако полученные кривые течения магнитной жидкости оказались линейными в исследованном диапазоне скоростей сдвига (рис.4). Действие электрического (при и до 10 В) и магнитного поля (до Н=3,5 кА/м) не изменяли ньютоновского характера течения жидкости.

600 г yс

400

200

• и=0 В о и=6 В

* U=8 В

, Па

Рис. 4.

Вместе с тем оказалось, что возникновение структурных решеток в первоначально «однородной» магнитной жидкости при воздействии на нее электрического поля оказывает влияние на характер зависимости величины вязкости магнитной жидкости от напряженности электрического поля. На рис. 5 представлена зависимость относительной величины динамической вязкости (кривая 1) от напряжения и, приложенного к боковым стенкам канала. На этом же рисунке представлена зависимость интенсивности

т

рассеянного света от напряжения (кривая 3), которая позволяет определить величину икр, при котором происходит возникновение структурных образований. Как можно видеть из рисунка, при этом же значении напряжения наблюдается уменьшение коэффициента вязкости. Дополнительное действие магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости движущегося слоя магнитной жидкости несколько сглаживает это уменьшение (кривая 2).

Образование структурных решеток в тонких слоях магнитной жидкости при воздействии электрического поля может быть связано с повышением концентрации дисперсных частиц и формированием свободного заряда в приэлектродной области, что было отмечено ранее в работах [3, 4]. В работе [5] в качестве механизма структурооб-разования в электрическом поле рассмотрено явление вытеснительной флокуляции, о возможности которого в магнитных жидкостях ранее указывалось в [6]. Действительно, в магнитной жидкости в большинстве случаев возможно присутствие несвязанных молекул олеиновой кислоты. Вследствие обладания полярной головкой и наличия неоднородности электрического поля (обу-

словленного накопленным у электродов свободным зарядом), молекулы несвязанной олеиновой кислоты, двигаясь по направлению к электродам, накапливаются у их поверхностей. Повышение концентрации поверхностно-активного вещества может привести к мицеллообразованию и началу процесса вытеснительной флокуляции, приводящему к агрегированию частиц дисперсной фазы. Как уже сообщалось в работе [5], с целью проверки обусловленности процесса агрегирования избыточным содержанием у электродов несвязанных молекул олеиновой кислоты было проведено удаление несвязанного поверхностно-активного вещества в исходной магнитной жидкости. Для этого в исследуемый образец вводился порошок си-ликогеля (с последующим удалением), на поверхности частиц которого предполагалось адсорбирование несвязанных молекул олеиновой кислоты. Оказалось, что после выполнения такой процедуры образование структурной решетки при воздействии электрического поля не происходит, однако, оно вновь возобновляется после добавления в магнитную жидкость некоторого объема (порядка нескольких процентов от объема образца) олеиновой кислоты. Следует, тем

ПI По 4 25

ю и, В

Рис. 5.

111111

не менее, заметить, что приведенное обоснование предложенного механизма возникновения структурных образований в электрическом поле не исключает возможности иных процессов, которые также могут приводить к наблюдаемым эффектам структурирования.

Анализ результатов реологических исследований проведен на основе представлений о диссипативных потерях энергии при течении жидкой среды со сформировавшимися в ней под воздействием электрического поля структурными образованиями, форма и размер которых может регулироваться как действием сдвигового течения, так и постоянного магнитного поля.

Для оценки вязкости магнитных коллоидов с малой концентрацией твердых сферических частиц может быть использована формула, полученная Хаппелем [6] на основе ячеечной модели:

П = П0

где п0 и п - вязкость соответственно жидкой основы и системы, ^ - объемная доля частиц. Проведенный им расчет вязкости для концентрированных систем дал следующий результат:

П = П0

где ^ - фактор взаимодействия, зависящий от объемной концентрации твердой фазы.

При движении в потоке частиц, форма которых отлична от сферической, скорость диссипации энергии зависит от ориентации частицы по отношению к главным осям сдвига. Джеффри выполнил расчет энергии диссипации эллипсоида вращения в сдвиговом течении [7]. Полученная им концентрационная зависимость вязкости разбавленной суспензии эллипсоидальных частиц имеет вид:

П = П 0

где V - множитель, зависящий от геометрии данного эллипсоида. Согласно предложенной Джеффри гипотезе ориентация частиц относительно главных осей сдвига соответствует минимизации диссипации энергии, при этом V уменьшается от 2,5 (сфера) до 2 (сильно вытянутый эллипсоид).

Форма коллоидных частиц магнитной жидкости мало отлична от сферической, следовательно, для определения вязкости однородной магнитной жидкости можно воспользоваться формулами (1) или (2) в зависимости от гидродинамической концентрации твердой фазы . При воздействии

постоянного электрического поля на первоначально однородную магнитную жидкость происходит ее расслоение: в слабоконцентрированной фазе взвешены агрегаты, представляющие собой сильноконцентрированную фазу дисперсных частиц, причем все агрегаты вытянуты в направлении течения. Для вязкости такой системы справедлива формула (3), в которой в качестве п0 и ^ следует принять вязкость слабоконцентрированной фазы и концентрацию агрегатов соответственно. Проведенные на основании вышеизложенных соображений расчеты изменения при расслоении магнитной жидкости вязкости показали возможность ее уменьшения на 10% ( при ^ =0,1).

Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать о возможности управления оптическими и реологическими свойствами магнитных жидкостей при воздействии на них электрического поля. Такая возможность обусловлена формированием в тонких слоях магнитной жидкости при воздействии электрического поля периодических структурных решеток и их трансформацией при дополнительном действии течения и магнитного поля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Диканский Ю.И., Нечаева О.А. Структурные превращения в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях //Коллоидный журнал. - 2003. - Т. 65. -23.- С. 338-342.

2. Майоров М.М. Измерение вязкости феррожидкости в магнитном поле // Магнитная гидродинамика. - 1980. -2 4. - С. 11-18.

3. Чеканов В.В., Бондаренко Е.А., Кандаурова Н.В. Накопление заряда в электрофоретической ячейке с магнитной жидкостью // Материалы ХЫН научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука-региону». - Ставрополь, 1998. - С. 3-4.

4. Кожевников В.М., Ларионов Ю.И., Морозова Т. Ф. Электрокинетические свойства тонкого слоя магнитной жидкости // Материалы 8-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. — Плес, 1998. — С. 40-42.

5. Диканский Ю.И., Закинян Р.Г., Нечаева О.А. О возможной причине фазового перехода вблизи электродов в магнитной жидкости в электрическом поле // Вестник Ставропольского государственного университета. — 2003. — 2 34.

6. Цеберс А.О. К вопросу о причинах образования микрокапельных агрегатов в коллоидах ферромагнетиков // Магнитная гидродинамика. — 1987.—2 3. —С. 143-145.

7. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. — М.: Мир, 1976. — 630 с.

8. Фортье А. Механика суспензий. — М.: Мир, 1971. — 264 с.

Об авторах

Диканский Юрий Иванович, профессор кафедры общей физики Ставропольского государственного университета, доктор физико-математических наук. Область научных интересов - электрические и магнитные свойства магнитных жидкостей, процессы структурообразо-вания.

Ларионов Юрий Анатольевич, доцент кафедры теоретической и общей электротехники СевероКавказского государственного технического университета, кандидат технических наук. Область научных интересов - электрические, магнитные и оптические свойства магнитных жидкостей, процессы структурообразования. Вегера Жанна Геннадьевна, аспирант кафедры общей физики Ставропольского государственного университета. Область научных интересов -электрические и оптические свойства магнитных жидкостей, особенности процессов переноса в магнитных жидкостях.