Электрические свойства магнитодиэлектрических эмульсий в магнитном поле

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ». №1, 2013

удк 537.9 Ю. И. Диканский [Y. I. Dikansky],

А. Р. Закинян [A. R. Zakinyan],

Е. С. Ткачева [E. S. Tkacheva]

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОйСТВА МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ эмульсий В МАГНИТНОМ ПОЛЕ1

Electrical properties of magnetodielectric emulsions in magnetic field

В работе представлены результаты экспериментальных исследований диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости магнитодиэлектрических эмульсий, подверженных воздействию внешнего магнитного поля. Показана корреляция макроскопических свойств эмульсии с ее микроструктурным состоянием.

The paper presents the results of experimental studies of the permittivity and conductivity of magnetodielectric emulsions subjected to the action of external magnetic field. The correlation between emulsion macroscopic properties and its microstructural state is demonstrated.

Ключевые слова: магнитодиэлектрическая эмульсия, макроскопические свойства, микроструктурное состояние, магнитное поле, электрическое поле.

Key words: magnetodielectric emulsion, macroscopic properties, microstructural state, magnetic field, electric field.

Деформация капель дисперсной фазы магнитодиэлектрической эмульсии при воздействии внешних магнитного и электрического полей ранее была хорошо изучена в ряде работ [1-4]. Такая деформация под действием внешних полей относительно малой величин была возможна вследствие малости межфазного натяжения на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой эмульсии. Подобное поведение капель дисперсной фазы должно приводить к специфическим особенностям макроскопических свойств данных сред, в частности, следует ожидать возникновение анизотропии электрических свойств эмульсий и зависимость последних от величины магнитного поля. В данной работе рассматриваются особенности макроскопических электрических свойств магниточувствительных эмульсий, обусловленные деформационными эффектами капель дисперсной фазы при воздействии внешних магнитных полей.

Следует отметить, что макроскопические свойства магнитной жидкости с помещенными в нее немагнитными микрочастицами под действием магнитного поля ранее изучались в ряде работ. Первым исследованием такого рода является работа [5], в которой изучено образование в магнитном поле цепочек из твердых сферических микрочастиц латекса, помещенных в маг-

i

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК-6053.2012.2.

нитную жидкость. Далее данные исследования были продолжены в серии работ [6-10], численное моделирование структурообразования в суспензии немагнитных частиц в магнитной жидкости под действием магнитного поля осуществлялось в работе [11]. В указанных работах изучалась главным образом микроструктура системы «магнитных дырок» в магнитном поле, тогда как макроскопические свойства таких сред исследовались недостаточно.

Экспериментальные исследования и их результаты

В качестве объекта исследования была использована магнитодиэлектрическая эмульсия, которая приготовлялась путем диспергирования магнетитовой магнитной жидкости на основе керосина в несмешиваю-щемся с ней авиационном масле АМГ-10, диспергирование осуществлялось при помощи электромеханической мешалки. Выбор этого масла для получения эмульсии обусловлен тем, что межфазное натяжение на границе между ним и магнитной жидкостью оказывается сравнительно мало (о = 10-6 Н/м), и при воздействии относительно слабых внешних полей на капли такой эмульсии может происходить весьма заметная их деформация.

Подобное поведение микрокапель дисперсной фазы должно вызывать изменение макроскопических электрических свойств эмульсии. В ситуации, когда на магнитодиэлектрическую эмульсию одновременно действуют магнитное и электрическое поля, составляющие некоторый угол друг с другом, электрические свойства такой системы должны оказаться зависимыми от угла между направлениями приложенных электрического и магнитного полей, т. е. должна возникнуть анизотропия электрических свойств такой среды.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 - измерительная ячейка;

2 - пластины электродов;

3 - цифровой мост переменного тока;

4 - катушки Гельмгольца.

Для исследования электрических свойств эмульсии была использована экспериментальная установка, схема которой приведена на рисунке 1. Магнитодиэлектрическая эмульсия помещалась в измерительную ячейку, представляющую собой плоский конденсатор, размеры пластин (2) которого 30x40 мм, расстояние между электродами 2,5 мм. Исследование удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости эмульсий осуществлялось мостовым методом в соответствии с описанной в [12, 13] методикой электрических измерений. Производилось измерение емкости ячейки и ее активной проводимости по параллельной схеме замещения. Для измерений применялся цифровой мост переменного тока (3) типа Е7-8 с частотой измерительного сигнала 1 кГц. Искомые величины диэлектрической проницаемости и удельной проводимости определялись из выражений:

эмульсией;

Сп — паразитная емкость ячейки;

е(Н), в(0) — диэлектрическая проницаемость в магнитном поле и в отсутствие поля соответственно,

0 — полная активная проводимость ячейки с эмульсией,

1 — расстояние между электродами ячейки,

£ — площадь поверхности электродов.

Для исследования влияния магнитного поля на измеряемые

величины ячейка с эмульсией помещалась во внешнее постоянное однородное магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца (4). При этом имелась возможность вращения ячейки в горизонтальной плоскости для установки различных значений угла между направлениями приложенного электрического и внешнего магнитного полей. Были проведены измерения при параллельной ориентации внешнего магнитного и измерительного электрического полей, а также в случае их перпендикулярности и в случае, когда магнитное и электрическое поля расположены под произвольным углом.

Следует отметить, что величина измерительного электрического поля в опытах была достаточно мала и не оказывала влияния на структурное состояние исследуемой эмульсии, т. е. деформация микрокапель дисперсной фазы эмульсии происходила только под действием приложенного внешнего магнитного поля.

где

С0, С — емкости пустой ячейки и ячейки, заполненной

йеіе, 10-2 йеіе, 10-2

4,5 ____________________________________________________________________________4,5 ___________________

3,5 А А * 3,5

2,5   ¥ 2,5

1,5 ♦ * 1,5 I

0,5 А  0,5 А А   1

- А 1 , ♦ ' * '

-0,5 .1 2 3 4 -0,5  0,5 5 1,5 2 2,5 Ф 3 0 4 м,к^м

-1,5 Я о 8 О  -1,5 А

-2,5 -2,5 А А

11 о о  10 %  10 % А10 % Д 10 % 11 0 0 0 0 А10 % Д 10 %

Рис. 2. Зависимость удельной диэлектрической проницаемости эмульсий магнитной жидкости в масле от напряженности внешнего магнитного поля, когда оно направлено параллельно электрическому полю (темные точки) и перпендикулярно ему (светлые точки) для трех различных объемных концентраций дисперсной фазы.

Рис. 3. Зависимость удельной диэлектрической проницаемости эмульсий масла в магнитной жидкости от напряженности внешнего магнитного поля, когда оно направлено параллельно электрическому полю (темные точки) и перпендикулярно ему (светлые точки) для трех различных объемных концентраций дисперсной фазы.

Были проведены исследования зависимости диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости магнитодиэлектрической эмульсии от величины и направления магнитного поля, а также от концентрации дисперсной фазы.

В результате исследований было выявлено, что при воздействии на магнитодиэлектрическую эмульсию магнитного поля величины диэлектрической проницаемости и электрической проводимости изменяются в зависимости от угла между электрическим и магнитным полями.

На рисунках 2 и 3 приведены зависимости относительного изменения удельной диэлектрической проницаемости эмульсий магнитной жидкости в масле и масла в магнитной жидкости соответственно от напряженности внешнего магнитного поля, когда оно направлено параллельно электрическому полю и перпендикулярно ему для трех различных объемных концентраций дисперсной фазы. Аналогичный характер имеют и зависимости удельной электрической проводимости эмульсии, подверженной действию магнитного поля, представленные на рисунках 4 и 5. Как видно из рисунков, при воздействии магнитного поля, совпадающего по направлению с электрическим измерительным полем, удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость увеличиваются по сравнению с первоначальными значениями. При взаимно перпендикулярном направлении полей наблюдается менее значительное убывание величин проницаемости и проводимости эмульсии.

На рисунке 6 представлены зависимости диэлектрической проницаемости эмульсии от объемной доли магнитной жидкости, полученные без и

Рис. 4. Зависимость удельной электрической проводимости эмульсии магнитной жидкости в масле от напряженности внешнего магнитного поля, когда оно направлено параллельно электрическому для трех различных объемных концентраций дисперсной фазы.

Рис. 5. Зависимость удельной электрической проводимости эмульсии масла в магнитной жидкости от напряженности внешнего магнитного поля, когда оно направлено параллельно электрическому для трех различных объемных концентраций дисперсной фазы.

Рис. 6. Зависимость удельной диэлектрической проницаемости эмульсии магнитной жидкости в масле (а и эмульсии масла в магнитной жидкости (о), подверженной действию магнитного поля, при различных концентрациях.

при воздействии на нее магнитного поля, сонаправленного с электрическим (измерительным) полем. Как видно, эти зависимости имеют монотонный характер с увеличением содержания магнитной жидкости наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости эмульсии. Воздействие магнитного поля изменяет характер концентрационных зависимостей, они расположены выше зависимости, полученной в отсутствие поля. Аналогичный вид имеют и концентрационные зависимости удельной проводимости эмульсии.

Была исследована зависимость диэлектрической проницаемости и проводимости эмульсии от угла между направлениями электрического и магнитного полей. Угол при этом изменялся от 0° до 90°. Оказалось, что когда угол между направлениями электрического и магнитного полей составляет 0°, величины проницаемости и проводимости имеют максимальные значения. Если угол между направлениями полей оказывается равным 45°, проницаемость и проводимость эмульсии не отличаются от их значе-

Рис. 7. Зависимость удельной диэлектрической проницаемости эмульсии магнитной жидкости в масле от угла а между напряженностями электрического и магнитного полей при различных значениях концентрации дисперсной фазы (темные точки - Н = 0,92 кА/м, светлые точки - Н = 1,8 кА/м).

Рис. 8. Зависимость удельной диэлектрической проницаемости эмульсии масла в магнитной жидкости от угла а между напряженностями электрического и магнитного полей при различных значениях концентрации дисперсной фазы (темные точки - Н = 0,92 кА/м, светлые точки - Н = 1,8 кА/м).

ний в отсутствие магнитного поля. Минимальные значения проницаемость и проводимость эмульсии имеют при угле 90°. При остальных значениях угла между магнитной и электрической напряженностями проводимость и проницаемость имеют некоторое промежуточное значение. Данный факт имеет место как в отношении эмульсии магнитной жидкости в масле, так и в отношении обратной эмульсии масла в магнитной жидкости. Экспериментально полученные зависимости диэлектрической проницаемости обеих эмульсий от угла а между напряженностями электрического и магнитного полей при различных значениях концентрации дисперсной фазы представлены на рисунках 7 и 8. Погрешность определения проницаемости и удельной проводимости в основном определяется погрешностью измерения емкости и активной проводимости, рассчитанной (по инструкции) на прибор. Как видно, изменение проницаемости более выражено для эмульсии магнитной жидкости в масле, что должно быть связано с большей степенью деформации капель магнитной жидкости по сравнению с немагнитными каплями, помещенными в магнитную жидкость, под действием одинакового магнитного поля, на что ранее указывалось в ряде работ [1, 4].

Аналогичный характер имеют и зависимости удельной электрической проводимости эмульсии от угла а между напряженностями электрического и магнитного полей.

Таким образом, на основе вышеизложенного можно сделать вывод: магнитодиэлектрическая эмульсия в скрещенных магнитном и электрическом полях становится электрически анизотропной средой, что проявляется в зависимости диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости эмульсии от угла между направлениями векторов Ё и Н .

ЛИТЕРАТУРА

1. Ткачева Е. С., Закинян А. Р. Динамика формы магнитных и немагнитных капель магнитодиэлектрических эмульсий в магнитном и электрическом полях // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. № 4(88). С. 76-82.

2. Tkacheva E. S., Zakinyan A. R., Dikansky Y. I. Dynamics of a dielectric microdrop suspended in a magnetic fluid in electric and magnetic fields // Solid state phenomena. 2012. Vol. 190. P. 653-656.

3. Zakinyan A. R., Tkacheva E. S., Dikansky Y. I. Dynamics of a dielectric droplet suspended in a magnetic fluid in electric and magnetic fields // Journal of Electrostatics. 2012. Vol. 70. P. 225-232.

4. Ткачева Е. С., Закинян А. Р., Диканский Ю. И. Деформация микрокапель магнитодиэлектрических эмульсий в переменном электрическом и вращающемся магнитном полях // Фундаментальные исследования. 2012. № 6. С. 685-688.

5. Skjeltorp A. T. One- and two-dimensional crystallization of magnetic holes //

Phys. Rev. Lett. 1983. Vol. 51. P. 2306-2309.

6. Toussaint R., Akselvoll J., Helgesen G., Skjeltorp A. T., Flekkoy E. G.

Interaction model for magnetic holes in a ferrofluid layer // Phys. Rev. E. 2004. Vol. 69. 011407.

7. Toussaint R., Akselvoll J., Helgesen G., Flekkoy E. G., Skjeltorp A. T.

Interaction of magnetic holes in ferrofluid layers // Progr. Colloid Polym. Sci.

2004. Vol. 128. P. 151-155.

8. Kristiansen K. de Lange, Helgesen G., Skjeltorp A. T. Braid theory and Zipf-Mandelbrot relation used in microparticle dynamics // Eur. Phys. J. B. 2006. Vol. 51. P. 363-371.

9. Helgesen G., Svasand E., Skjeltorp A. T. Nanoparticle induced self-assemb-

ly // J. Phys.: Condens. Matter. 2008. Vol. 20. 204127.

10. Popplewell J., Rosensweig R. E., Siller J. K. Magnetorheology of ferrofluid composites // J. Magn. Magn. Mater. 1995. Vol. 149. P. 53-56.

11. Davies P., Popplewell J., Martin G., Bradbury A., Chantrell R. W. Monte Carlo simulations of the structure of magnetic fluid composites // J. Phys. D: Appl. Phys. 1986. Vol. 19. P. 469-476.

12. Усиков С. В. Электрометрия жидкостей. Л.: Химия, 1974. 144 с.

13. Эмульсии / под ред. Ф. Шермана. Л.: Химия, 1972. 448 с.

ОБ АВТОРАХ

Диканский Юрий Иванович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой общей физики Института естественных наук. dikansky@mail.ru

Закинян Артур Робертович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической физики Института естественных наук. zakinyan.a.r@mail.ru

Ткачева Елена Сергеевна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», инженер кафедры общей физики Института естественных наук. tkacheva_es.86@mail.ru.

Dikansky Yuri Ivanovich, North-Caucasian Federal University, Institute of Natural Sciences, Head of General Physics Department, Doctor of physical and mathematical sciences, professor.

Zakinyan Arthur Robertovich, North-Caucasian Federal University, Institute of Natural Sciences, Department of Theoretical Physics, candidate of physical and mathematical sciences, associate professor.

Tkacheva Elena Sergeevna, North-Caucasian Federal University, Institute of Natural Sciences, Department of General Physics, engineer.