Изучение особенностей электрических свойств магнитных жидкостей

Содержание. Введение………………………………………………………………………… .3 Глава 1 «Теория электрической проводимости и методика её измерения» ...............................................................................………………… .6 1.1 Понятие электрической проводимости……………………………… .6 Учёт возможных погрешностей при проведении измерений электрической проводимости………………………………………… .8 Особенности измерения электрической проводимости…………… ..11 Теория удельной объёмной проводимости применительно к магнитным жидкостям……………………………………………..… ..12 Глава 2 «Теория диэлектрической проницаемости и методика её измерения» ……………………………………………………………………… 17 2.1 Историческая справка и понятие диэлектрической проницаемости………………………………………………………… 17 Зависимость диэлектр ической проницаемости от различных физических величин………………………………………………… ...19 Метод измерения диэлектрической проницаемости……………… ...21 Диэлектрические характеристики магнитных жидкостей………… ..22 Глава 3 «Экспериментальные исследования электрической проводим ости и диэлектрической проницаемости магнитной жидкости» ……………………………………………………………………… ..25 Заключение……………………………………………………………………… Список используемой литературы……………………………………………… Введение. Магнитные жидкости , синтезированные в середине 20-го века на стыке н аук коллоидной химии , физики магнитных явлений и гидродинамики , относятся к магнитоуправляемым материалам и получили широкое практическое применение в машиностроении , медицине , других областях промышленности . Магнитные жидкости обладают уникальными магнит н ыми свойствами : хорошей текучестью и намагниченностью . Важной особенностью ферромагнитных коллоидов , в отличие от большинства известных магнитных систем , является свобода поступательного движения магнитных частиц , которая может быть причиной структурных п р евращений , связанных с одновременным изменением характера магнитного упорядочения и пространственного расположения частиц в слое жидкости . Наблюдаемые в магнитной жидкости магнитомеханические , магнитооптические и электрофизические явления во многом опреде л яются свойствами малых частиц , их взаимодействием во внешних полях и структурным состоянием системы . Связь макроскопических свойств вещества с его микроскопическими характеристиками является одним из основных вопросов физики жидких дисперсных систем . Отно сительно процессов , определяющих электрические свойства магнитных жидкостей на сегодняшний день нет единого мнения ; основой МЖ как правило являются полярные или неполярные диэлектрики с проводимостью порядка См /м , поверхностно-активное вещество , выбираемое в качестве стабилизатора , имеет проводимость порядка См /м . Частицы магнетита , хоть и имеют проводимость порядка 2 Ч См /м , однако окружены плотным слоем олеиновой кислоты , поэтому проводимость магнитной жидкости не обусловлена проводимостью частиц магнетита . Проводимость же самой магнитной жидкости имеет значен ия порядка См /м , что соответствует электрическим свойствам разбавленных электролитов . Считается , что носителями заряда в МЖ являются ионы примесей – результат химической конденсации при с оосаждении солей двух - и трех валентного железа из водного раствора действием водного раствора аммиака . Для оценки влияния структуры исследуемых систем на электрофизические характеристики рассматриваются электропроводность и диэлектрическая проницаемос ть МЖ. Диэлектрическая проницаемость . На диэлектрическую проницаемость магнитных жидкостей влияют стабилизирующие свойства и размер защитных оболочек , размер и материал частиц , концентрация примесей. Существует большое количество выражений для расчета диэл ектрической проницаемости гетерогенных систем как для статистических смесей , так и для матричных систем [49, 65]. МЖ в зависимости от концентрации дисперсной фазы и величины магнитного поля , можно рассматривать как статистическую смесь – при малых концент р ациях и без магнитного поля , как матричную систему – при наложении магнитного поля. Для магнитных жидкостей наблюдается дисперсия диэлектрической проницаемости . При этом проявляется зависимость её от напряженности магнитного поля . Причем для МЖ , отличающ ихся по компонентному составу и устойчивости , характер этой зависимости различен . Отмечено , что наиболее ярко он проявляется для МЖ с меньшей устойчивостью и вязкостью . С увеличением напряженности магнитного поля диэлектрическая проницаемость увеличиваетс я (рис .1.1) [33]. Описание данного процесса опирается на модель , в которой рассматриваются процессы поляризации за счет перемещения ионов внутри стабилизирующей оболочки [29]. Это возможно при стабилизации дисперсии в результате использования электоростери ч еского механизма. Электропроводность магнитной жидкости . Электропроводность магнитной жидкости обусловлена несколькими механизмами : объемной и поверхностной проводимостью примесных носителей зарядов , миграцией мицелл. Комплексное исследование электрических характеристик позволяет уточнить механизм изменения структуры дисперсных систем при воздействии на них внешних электрического и магнитного полей . Как уже отмечалось , магнитные жидкости представляют собой дисперсные системы . Механизм электропроводности ди сперсных систем определяется материалом частиц , природой стабилизирующего слоя и свойствами дисперсионной среды [30, 32]. Теории электрических процессов таких систем наиболее полно изложены в работах Духина С.С ., Шилова В.Н ., Дерягина Б.Ф . [30, 32, 84, 31 ] . Применительно к магнитным жидкостям дисперсная система состоит из частиц магнетита , покрытых прочной изоляционной оболочкой , в слабом электролите , то есть в жидком неполярном диэлектрике с примесными ионами и полярными молекулами . Концентрация примесных носителей зависит от технологии получения МЖ и качества отмывки дисперсного магнетита. Глава 1. Теория электрической проводимости и методика её измерения. 1.1 Понятие электрической проводимости. Все проводники , существующие в природе , в зависимости от м еханизма переноса электричества при прохождении через них электрического тока можно разделить на три класса : электронные , ионные и смешанные. К классу электронных проводников , в которых переносчиками электрических зарядов являются электроны , относятся мета ллы , полупроводники , большинство металлических сплавов , углерод и некоторые твёрдые соли и окислы. В класс ионных проводников входят газы и электролиты , в которых переносчиками электрических зарядов являются ионы и прохождение тока сопровождается переносом вещества. Изоляционные свойства материалов характеризуются электрическим сопротивлением и пробивным напряжением . Электрическое сопротивление жидкости определяет силу тока , проходящего по ней при заданном напряжении . Величина , обратная сопротивлению , назыв ается объёмной электрической проводимостью. Класс смешанных проводников состоит из веществ , обладающих частично электронной и частично ионной проводимостью . К ним относятся , например , растворы щелочных и щелочноземельных металлов в жидком аммиаке , некото рые жидкие сплавы и соли , характер проводимости которых меняется в определённом интервале температур , и другие вещества. Область измерения электропроводности электролитов как одна из областей электрохимических измерений охватывает классы ионных и смешанны х проводников . К ним относятся следующие типы веществ : 1) чистые вещества в твёрдом состоянии , в жидком состоянии , расплавленные соли и гидриды ; растворы одного или нескольких веществ в твёрдом состоянии , в расплаве , коллоидные и истинные жидкие водные и н еводные растворы в неорганических и органических растворителях : окислов , солей кислот , оснований и некоторых элементарных веществ. Измерительные методы классифицируются по большому количеству характеристик , в частности по роду контакта , по типу выходного с игнала , по характеру напряжения , применяемого для измерения. В данном эксперименте использовался контактный метод измерения , который характеризуется тем , что в процессе измерения исследуемая магнитная жидкость находится в прямом гальваническом контакте с э лектродами измерительной ячейки . Однако , хотя они и дают возможность производить точные измерения , но не свободны от погрешностей , обусловленных в частности , в большей или в меньшей степени поляризационными явлениями на электродах . Даже использование мост о вого метода переменного тока , который обладает высокой точностью измерений и даёт возможность получать непосредственный отсчёт измеряемой величины , при измерении концентрированных растворов появляется погрешность из-за наличия поляризационных явлений. Эти поляризационные явления при переменном токе выражены в сотни раз слабее , чем при постоянном токе (этим и обусловлено использование переменного тока в эксперименте ), и зависят от частоты и концентрации раствора , а также в значительной степени от материал а электрода и состояния его поверхности . Несмотря на малую величину поляризации , при измерениях электропроводности она может внести погрешность в измеряемую величину. 1.2. Учёт возможных погрешностей при проведении измерений электрической проводимости. Изу чению поляризации растворов электролитов переменным током посвящено много экспериментальных и теоретических работ . Из их результатов можно сделать выводы : 1) при прохождении переменного тока через раствор в отдельных его точках происходят периодические из менения концентрации ; частота этих периодических изменений пропорциональна частоте переменного тока ; амплитуда периодических изменений концентрации уменьшается по мере удаления от поверхности электрода , причём такое уменьшение происходит быстрее с увеличен ием частоты и с уменьшением коэффициента диффузии потенциалопределяющих ионов. Величина поляризационного сопротивления , а следовательно , и величина погрешности , которое вносится в измеряемое сопротивление или электрическую проводимость , зависят от большого числа различных параметров системы : материал электрода , состав и концентрация раствора , частота и другое . В некоторых случаях погрешность от поляризационного сопротивления достигает 20%. Наименьшая погрешность наблюдается при измерении с платинными платин ированными электродами , которая при частоте 3000 Гц равна погрешности измерения , и следовательно , этой величиной можно пренебречь . Теория явлений , происходящих на поверхности электрода при прохождении переменного тока , и связь этих явлений со свойствами а к тивной поверхности и величиной поляризационного сопротивления ещё не разработана . На основании экспериментальных данных можно предполагать , что величина поляризационного сопротивления связана со строением кристаллической решётки материала электрода , адсор б ционными свойствами его активной поверхности. Состояние поверхности электрода в значительной степени влияет на величину импеданса . Для электродов , изготовленных из двух различных материалов , развитие истинной поверхности приводит к уменьшению поляризационн ых явлений . Это объясняется тем , что при увеличении истинной поверхности электрода снижается соответственно истинная плотность тока поляризации и , следовательно , поляризационный эффект. Что касается частоты переменного тока , то многими исследователями было показано , что для обратимых электродов из различных материалов в водных растворах различных концентраций зависимость величины поляризационного сопротивления R S от частоты выражается формулой : , где – константа . Из этого выражения следует , что R S уменьшается с повышением частоты и достигает незначительной величины при частоте выше 1 кГц . Это было учтено при проведении данно го эксперимента . Использовалась частота 1 кГц . Выше уже отмечалось , что погрешность , создаваемую поляризационным сопротивлением , при измерениях электропроводности можно значительно уменьшить , применяя платиновые электроды , покрытые платиновую чернью . Этот эффект впервые обнаружен Кольраушем , который рекомендовал проводить осаждение платиновой черни электролизом из раствора хлороплатината с добавлением следов ацетата свинца . Таким образом , на основании изложенного выше , первым способом уменьшения или исклю чения погрешности Д R S является применение платинирования . При этом необходимо учитывать , что платинированные электроды возможно применять только в тех случаях , когда измеряют электропроводность нейтральных и слабо разведённых растворов , имеющих концентраци ю выше 0.01 н ., если отсутствует опасность , что платиновая чернь будет катализатором нежелательной химической реакции в растворе . Итак , когда есть условия для применения платинированных электродов , то при соответственном выборе степени платинирования и ч астоты погрешность , создаваемую поляризационным сопротивлением , можно уменьшить до такой величины , что даже при измерениях , производимых с самой высокой точностью , нет необходимости вводить поправку в результаты измерения на поляризационное сопротивление. Однако , кроме погрешностей , создаваемых за счёт поляризационного эффекта , необходимо учитывать погрешности от теплового эффекта при протекании тока через ячейку и погрешность от паразитных токов . Для устранения данных видов погрешностей необходимо стреми т ься к уменьшению напряжения , приложенного к ячейке от источника , которое увеличивает тепловой эффект , также следует предельно сократить продолжительность времени отдельного измерения , нужно увеличить константу ячейки А , что достигается увеличением рассто я ния между электродами и уменьшением поперечного сечения сосуда . Увеличение объёма сосуда ячейки приводит к уменьшению погрешности измерения , так как для нагревания большого объёма электролита требуется длительное время . 1.3 Особенности измерения электр ической проводимости. В данном экспериментальном исследовании измерялась электрическая проводимость магнитной жидкости в зависимости от концентрации твёрдой фазы . Для этого использовалась двухэлектродные ячейки , одна из которых имеет электроды из гладкой п латины , а другая из меди. Для вычисления электропроводности магнитной жидкости необходимо знать константу ячейки А (м -1 ), которую невозможно определить прямым измерением длины сосуда и площади его поперечного сечения вследствие : а ) рассеивания силовых лин ий тока , которые не ограничиваются столбиком магнитной жидкости , находящейся точно между электродами ; б ) невозможности выдержать точно параллельное расположение электродов и строго определённую их форму ; в ) сложной формы стеклянного сосуда , ограничивающего распространение силовых линий тока . На практике принято [Лопатин ] для определения константы ячейки А применять стандартные водные растворы хлористого калия , величина электропроводности которых при различных температурах известна с большой точностью . Посл е измерения сопротивления ячейки , заполненной раствором хлористого калия с известной величиной у , из произведения А =у R легко вычисляется константа ячейки А . Для вычислений стандартной величины электропроводности нормальных растворов хлористого калия при т емпературах до 50 ˚ С удовлетворительные результаты даёт формула : , где с – константа , зависимость которой от концентрации раствора хлористого калия приведена ниже : KCl ………………………………… ..0.01 0.1 0.5 C Ч 10 4 ………………………………… 232 228 218 При определении константы ячейки с применением стандартных растворов KCl , концентрация которых ниже 0.1 н ., необходимо делать поправку на электропроводность воды , которая при 25 ˚ С должна иметь величину , близкую к 1.1 Ч 10 -6 сим Ч см -1 . 1.4 Теория удельной объёмной проводимости применительно к магнитн ой жидкости. Жидкими основами в магнитных жидкостях , как правило , являются органические среды , занимающие промежуточное положение между ионными диэлектриками и жидкими ионными проводниками (водными растворами электролитов ). Широко используемый в качестве т вёрдой фазы магнетит имеет в монолите относительно высокую удельную электрическую проводимость , которая , однако , на несколько порядков ниже , чем у металлов г ≈ 2*10 4 См *м -1 Напомним , что в технических магнитных жидкостях объёмное содержание твёрдых частиц не превышает 25% (иначе наблюдается резкое снижение текучести ). При этом магнитные частицы отделены друг от друга слоем ПАВ . Поверхностно активное вещество (например , олеиновая кислота ) обычно также органическая жидкость , имеющая химическое сродство к основ е и близкие с ней значения подвижности носителей заряда и их концентрации . Так как в качественно приготовленной магнитной жидкости все твёрдые частицы окружены слоем ПАВ , то объёмная проводимость магнитной жидкости должна определяться , по-видимому , концент р ацией носителей заряда и их подвижностью в жидкой фазе. В многочисленных экспериментах не было зарегистрировано существенного влияния магнитного поля , направленного либо параллельно , либо перпендикулярно к постоянному току , проходящему по измерительной яче йке , на электрическую проводимость магнитной жидкости. Типичные вольт-амперные характеристики качественно приготовленных магнитных жидкостей на основе керосина , снятые без магнитного поля означают : 1) для жидкости с умеренной концентрацией дисперсной фазы (ц =0,008) ток резко возрастает с увеличением напряжения ; для жидкости высококонцентрированной (ц =0,3) ток с увеличением напряжения возрастает на очень маленькую величину. Качественной считалась жидкость , коллоидные частицы Fe 3 O 4 которой пять раз отмывалис ь дистиллированной водой после осаждения . Для этих жидкостей в исследованном диапазоне концентраций ц =0-0,3, начиная с напряжённости Е =2,5 кВ /м , вольт-амперные характеристики становились линейными . По их углу наклона рассчитывалась удельная электрическая п роводимость. Удельная проводимость исследуемых магнитных жидкостей зависела от объёмной концентрации магнетита немонотонным образом . В области 0<ц ≤ 0.09 проводимость росла с увеличением концентрации магнитных частиц , а в области высоких концентраций (ц >0.16 ) – падала . Причём графики , полученные разными экспериментаторами , расходятся . Это можно объяснить , по-видимому , температурной зависимостью электрической проводимости жидкости . Различие в значениях г может быть обусловлено разной степенью отмывки дисперсн о го магнетита после его получения. Известно , что аналогичный вид зависимости электрической проводимости свойствен растворам сильных электролитов , и снижение проводимости в области высоких концентраций объяснялось падением подвижности ионов при увеличении об щего числа носителей заряда . Это обстоятельство позволяет предположить , что в магнитных жидкостях , полученных методом химической конденсации , существует примесный тип проводимости. Для уточнения механизма переноса заряда в магнитных жидкостях проводилась серия опытов на жидкостях с магнетитом , который вообще не отмывался после процесса химической конденсации . Вольт-амперные характеристики таких жидкостей снять не удалось , кроме одной , у которой концентрация твёрдой фазы ц =0.27. В экспериментах , проводимых при t =22 ˚ C , наблюдался экспоненциальный рост силы тока с увеличением напряжённости электрического поля . Начиная с Е =15-20 кВ /м , наблюдались скачкообразное увеличение I и нестационарность переноса заряда . Для жидкости , у которой ц =0.27, сила тока увеличивал ась пропорционально напряжению до Е =15кВ /м , затем вольт-амперная характеристика теряла линейность . Электрическая проводимость этой жидкости рассчитывалась по линейному участку. Сделаем оценку гидродинамической концентрации для объёмной концентрации ц =0.27. Для частиц средним диаметром d ср =10 нм и толщины адсорбционного слоя д =2нм (максимальная длина молекулы олеиновой кислоты ) получим ц r =( d r / d ср )*ц =0.74. При такой концентрации покрытые слоем олеиновой кислоты полидисперсные частицы магнетита находятся в непосредственной близости друг к другу . Следовательно , перемещение в электрическом поле примесных ионов , адсорбирующихся на частицах магнетита в процессе химической конденсации и переходящих в раствор после разбавления концентрированной пасты жидкой ос н овой , затруднено из-за их взаимодействия с полярными длинноцепочечными молекулами олеиновой кислоты . Это взаимодействие и могло быть причиной стационарного переноса заряда в жидкости с объёмной концентрацией непромытого магнетита ц =0.27, содержащей избыто ч ное количество примесных ионов . В жидкостях с меньшими концентрациями непромытого магнетита примесные ионы относительно свободно перемещаются по жидкой фазе , вызывая предпробойное состояние при увеличении напряжённости поля . Другая причина падения электри ч еской проводимости в области высоких концентраций магнитных частиц может заключаться в усиливающимся рассеивании примесных ионов на магнитных моментах частиц. Приведённые результаты позволяют оценить качество магнитной жидкости по её вольт-амперной характе ристике . Избыток примесных ионов в концентрате из коллоидных частиц магнетита и стабилизатора затрудняет стабилизацию магнитной жидкости , так как адсорбирующиеся на частицах ионы препятствуют полному покрытию частиц адсорбционной оболочкой . Следовательно, отклонение от линейной вольт-амперной характеристики или нестационарность процесса переноса заряда в жидкости означают неполную отмывку высокодисперсного магнетита , что приводит к снижению агрегативной устойчивости магнитной жидкости. Удельная электрическа я проводимость магнетитовых магнитных жидкостей на углеводородной основе , измеренная на переменном токе f =60Гц , имеет тот же порядок , что и проводимость , измеренная на постоянном токе : г =10 -6 См /м . Такой же результат был получен Б.Капланом и Д.Джейбековым (1976) для магнитной жидкости на основе воды. По зависимости удельной электрической проводимости магнитной жидкости от температуры можно оценит энергию активации носителей заряда . Обработка данных зависимостей lnг от 1/Т находят энергию активации Энергия активации приблизительно равна 0.2 эВ для магнитных жидкостей и 0.6 Эв для керосина . Снижение этой энергии для магнитных жидкостей по сравнению с керосином согласуется с гипотезой о сущест вовании в магнитных жидкостях примесных ионов. Отметим , что электрическое сопротивление магнитных жидкостей снижается приблизительно на три порядка по сравнению с основой . Однако оно остаётся на несколько порядков выше , чем у традиционных магнитных материа лов , и поэтому при воздействии внешних магнитных полей потери в них на индукционные токи будут малы. Электрическая прочность магнитных жидкостей характеризуется пробивным напряжением . Измерения пробивного напряжения для магнитных жидкостей на углеводородно й основе показали его снижение (более чем на 50%) по сравнению с жидкой основой . С увеличением магнитного поля , направленного параллельно электрическому , пробивное напряжение дополнительно уменьшается и достигает Е пр ≈ 0.5 МВ /м при индукции 0.4=0.8 Тл . Эти д анные получены для магнетитовых магнитных жидкостей на кремнийорганической основе . Многократное воздействие электрического поля снижало пробивное напряжение испытуемого образца . Глава 2. Теория диэлектрической проницаемости и методика её измерения. 2.1. Историческая справка и понятие диэлектрической проницаемости. Первыми работами , которые послужили основой для использования методов измерения диэлектрической проницаемости , были работы химика Друде (1897), в которых была установлена эмпирическая связь меж ду строением молекул и диэлектрическими потерями , и Дебая (1925-1929), установившего связь между величиной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь со строением молекул. Первым аналитическим применением измерений диэлектрической проницаемости было определение содержания влаги (Берлинер , Рютер ,1929) в органических соединениях . Позднее были разработаны методы определения чистоты органических соединений , методы анализа бинарных органических систем и в 1950 – 1960 гг . впервые были опубликованы ме т оды диэлектрометрического титрования органических систем. Следует отметить , что методы диэлектрометрии разработаны главным образом применительно к анализу непроводящих органических систем , что не исчерпывает всех возможностей диэлектрометрии. Итак , относи тельная диэлектрическая проницаемость е определяется как отношение ёмкости С конденсатора , диэлектриком у которого является в данном случае исследуемая магнитная жидкость , к ёмкости С 0 конденсатора , диэлектриком у которого является вакуум : Из этого соотношения видно , что относительная диэлектрическая проницаемость е является величиной безразмерной и не зависит от выбора системы единиц . Для безвоздушного пространства е =1, для воздуха е =1,00 06, для остальных веществ е > 1. При внесении диэлектрика между электродами конденсатора наблюдается увеличение ёмкости в е раз . Причиной этого является поляризация диэлектрика , вследствие чего на поверхностях соприкосновения электродов с диэлектриком возн икают связанные заряды , способствующие уменьшению в е раз интенсивности поля Е и разности потенциалов : Абсолютная диэлектрическая проницаемость е а , в отличие от относительной , имеет разм ерность [ф·м -1 ]. Между абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями существует следующая зависимость : е а = е е 0 , где е 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума , имеющая следующую размерность в единицах СИ : е 0 = 10 7 /4р С 2 ф·м -1 = 8.85· 10 -12 ф·м -1 , где скорость света в вакууме С = 2.998· 10 8 м·сек -1 . Сила взаимодействия наэлектризованных тел , согласно закону Кулона зависит как от электрических зарядов этих тел q 1 и q 2 и расстояния между ними r , так и от среды , в которой находятся взаимодействующие тела , характеризуемой абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями. См ещение электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля обнаруживается как соответствующий ток смещения . Его мерой является величина диэлектрического тока I D , определяющегося как электрический заряд , который в процессе зарядки или разр ядки конденсатора пересёк единицу поверхности , находящуюся перпендикулярно направлению перемещения заряда . Между величиной электрического поля Е , плотностью тока смещения I D и относительной диэлектрической проницаемостью существует линейная зависимость I D = е е 0 E . Ток смещения существует и в проводниках . При наложении постоянного напряжения на проводник через него протекает большой ток . В этом случае можно говорить о диэлектрической проницаемости провод ящих веществ. Из сказанного видно , что диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации диэлектрика и является константой , присущей данному веществу. 2.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от различных физических величин. При измерении ди электрической проницаемости исследуемого вещества необходимо помнить и учитывать зависимости проницаемости от различных величин . Например , если диэлектрик находится в переменном электрическом поле , то его поляризация зависит от частоты поля . При низких ча с тотах изменение индукции следует за изменением поля без запаздывания . Изменение электрического поля и поляризация находятся в фазе и относительная диэлектрическая проницаемость имеет максимальную величину ( е = е’ ). С повышением частоты ориентация диполей всё больше не успевает следовать за изменением поля . Происходит отставание по фазе ориентационной поляризации молекул от изменений поля и при очень высоких частотах ориентационная поляризация полностью исчезает ( е’ << е ) – наблюдается так называемая диспе рсия диэлектрической проницаемости. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости имеет сложный вид , зависит от структуры вещества и применяемой для измерения частоты. Особенно сильные изменения температурной зависимости диэлектрической проницаем ости наблюдаются при структурных изменениях молекул , при фазовых переходах и т.п . Величина диэлектрической проницаемости в значительной степени зависит от структуры молекулы . Для веществ , имеющих полярные молекулы , и , следовательно , дипольные моменты , диэ лектрическая проницаемость велика . У электрически симметричных молекул результирующий дипольный момент практически равен нулю . С уменьшением симметричности молекулы величина диэлектрической проницаемости увеличивается. Что касается зависимости диэлектричес кой проницаемости от агрегатного состояния вещества , то здесь нам интересны коллоиды и эмульсии . Эти состояния , в которых могут находиться магнитные жидкости , имеют много общих диэлектрических свойств . Диэлектрическое поведение водных коллоидных растворов определяется структурой коллоидных частиц . На величине диэлектрической проницаемости сказываются также физико-химические свойства коллоидов , такие , как анизотропия , образование мицелл . У гидрофильных коллоидов (желатин ) часть молекул воды внедряется в миц е ллы и не участвует в ориентационной поляризации . Вода , связанная в мицеллах в отличие от свободной имеет диэлектрическую проницаемость е ≈ 2. Для эмульсий , как и для коллоидов , простые уравнения смешения не применимы , так как результаты зависят от степени дисперсности дисперсной фазы . Если в дисперсной среде , имеющей диэлектрическую проницаемость е 2 , распределена нерастворимая фаза с проницаемостью е 1 , то для получаемой при этом разности диэлектрических проницаемостей Де =е эм – е 2 применимо уравнение где v 1 – объёмная доля дисперсной фазы . При постоянной величине v 1 Де растёт с увеличением степени диспергирования твёрдой фазы или степени эмульгирования жидкости. Использование последней формул ы для водных эмульсий показало , что эмульгированная вода даёт значительно меньшую величину Де , чем растворённая . Этот эффект находит значительное техническое применение , например для определения содержания воды в трансформаторном масле. 2.3. Метод измере ния диэлектрической проницаемости. В современных методах определения величины диэлектрической проницаемости используется как постоянный ток , так и переменный ток в широком диапазоне частот. Измерения методами переменного тока распространены боле широко . Эт о связано с тем , что они дают обширную информацию о структуре и свойствах диэлектрика , позволяют определять диэлектрическую проницаемость жидкостей и растворов электролитов , обладающих электропроводностью , и наконец , приборы – диэлектрометрические ячейки – в большинстве случаев являются компактными и более удобными для различных физико-химических исследований. Мостовые методы по принципу работы делятся на две группы : 1) нерезонансные или простые мосты различного типа , которые используются главным образом п ри низких частотах и 2) резонансные мосты , условия равновесия которых зависят от частоты и которые могут применяться при высоких частотах . Резонансные мосты , как правило , имеют более высокую чувствительность по сравнению с нерезонансными мостами . Кроме т ого , мостовые методы измерения позволяют производить отдельный отсчёт активной и реактивной составляющих полного сопротивления. Для измерения диэлектрической проницаемости могут быть использованы ёмкостные , индуктивные и контактные ячейки. В данном экспери менте использовались контактные ячейки . Достоинством таких ячеек является линейная зависимость между измеряемой ёмкостью С и диэлектрической проницаемостью е исследуемой жидкости . Особенностью таких ячеек является поляризация электродов при низких частота х , которая является причиной погрешностей . Поскольку в настоящее время все методы измерения диэлектрической проницаемости основаны на сравнении ёмкости конденсатора , диэлектриком у которого является исследуемое вещество , обладающее , как правило , проводящи м и свойствами , то поляризация электродов , возникающая при низких частотах , также создаёт определённые погрешности при измерении ёмкости . Основным условием использования контактной ячейки для измерения диэлектрической проницаемости является выбор достаточно высокой частоты , при которой поляризационное сопротивление и ёмкость равны нулю. Вторым условием является необходимость устранения ёмкости двойного слоя С Д . Это достигается применением электродов с достаточно развитой поверхностью (например , платинировани ем ). 2.4. Диэлектрические характеристики магнитных жидкостей. Диэлектрическая проницаемость е большинства диэлектриков , характеризующая их поляризацию в электрическом поле , не зависит от напряжённости поля , но зависит от его частоты . Для магнитных жидкос тей важным физическим параметром является концентрация твёрдой фазы , относительная диэлектрическая проницаемость которой выше , чем проницаемость жидких основ . Присутствие полярных молекул поверхностно-активного вещества в магнитной жидкости также влияет н а её диэлектрическую проницаемость. Р.Розенцвейг и Р.Кайзер (1969) определили относительную диэлектрическую проницаемость порошка из коллоидных частиц магнетита е ≈ 15 на частотах 400 Гц и 1 кГц . Н.И.Дюповкин и Д.В.Орлов (1983) исследовали магнетитовые магнит ные жидкости на основе керосина , стабилизированные олеиновой кислотой , в диапазоне частот 10 2 -7*10 4 Гц . При увеличении объёмной концентрации магнетита от 5 до 19.5% относительная диэлектрическая проницаемость монотонно возрастала от 3 до 9 на частоте 100 Г ц . С увеличением частоты изменения электрического поля , создаваемого в межэлектродном пространстве ячейки с плоскопараллельными электродами , относительная диэлектрическая проницаемость плавно уменьшалась , причём наиболее резкий спад наблюдался в диапазоне частот 10 2 -10 3 Гц . Измерения Г.М.Гордеева с соавторами (1983) относительной диэлектрической проницаемости близких по характеристикам магнитных жидкостей в диапазоне частот 10 5 -10 7 Гц согласуются с данными Н.И.Дюповкина и Д.В.Орлова на верхней границе часто т . Эта частотная зависимость диэлектрической проницаемости е и тангенса угла диэлектрических потерь tg д получена при комнатной температуре . Из полученных графиков видно , что относительная диэлектрическая проницаемость исследованных образцов практически по стоянна в указанном диапазоне частот . Графики для керосина и олеиновой кислоты располагаются ниже значений е для магнитных жидкостей. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты электрического поля характеризуется резким падением в диапазон е частот 10 2 -5*10 6 Гц , причём на частоте 10 5 Гц диэлектрические потери для магнитных жидкостей на порядок превышают tg д для керосина . Одна из причин роста диэлектрических потерь с уменьшением частоты электрического поля может заключаться в джоулевых потер ях , связанных с проводимостью магнитной жидкости . Глава 3. Экспериментальные исследования электрической проводимости и диэлектрической проницаемости магнитной жидкости. В данной курсовой работе проводились исследования электрической проводимости и диэле ктрической проницаемости магнитной жидкости . Все измерения проводились мостовым методом с помощью прибора ЧЧЧЧЧЧЧ Магнитная жидкость заливалась в измерительные ячейки двух видов . Одна из них имеет платиновые электроды , другая медные . Ячейка с платинированными электродами , как уже отмечалось выше , имеет большую точность резул ьтатов измерений . Самым главным её недостатком является необходимость наличия большого объёма магнитной жидкости , что очень трудно осуществить при изучении концентрационных рядов , состоящих из большого количества концентраций . В эту ячейку помещался объём магнитной жидкости равный 50 мл . Исследуемая жидкость разводилась до концентрации ц =1%, имея начальную ц = 16%. С каждой концентрацией отдельно проводились измерения электрической проводимости и диэлектрической проницаемости. Электроды каждой ячейки соедин ялись с выходами измерительного прибора на возможно короткое время , что делалось , как было описано выше , во избежание ненужных погрешностей измерений . Все эксперименты проводились при одинаковой температуре . После снятия показаний измерительного прибора д л я электрической проводимости и значение ёмкости для расчёта диэлектрической проницаемости , ячейка с магнитной жидкостью помещалась в перпендикулярное и параллельное магнитные поля , создаваемые кольцами Гельмгольца . Значения измеряемых величин снимались , к о гда напряжённость магнитного поля была максимальной . После снятия всех необходимых измерений , магнитная жидкость изымалась из ячейки , разводилась до нужной концентрации и использовалась вновь . Для повторного эксперимента изначально был приготовлен концент р ационный ряд , который впоследствии можно использовать многократно . Первое измерение проводилось в ячейке с платиновыми электродами . Результаты измерений приведены на графиках. Рисунок 3. Концентрационная зависимость электрической проводимости. Из графика видно , что концентрационная зависимость электрической проводимости имеет максимум , который приходится на концентрацию магнитной жидкости около 10%. Далее величина электропроводности плав но спадает с уменьшением концентрации. Рисунок 4. Концентрационная зависимость диэлектрической проницаемости. График зависимости диэлектрической проницаемости от концентрации магнитной жи дкости подтверждает ранее полученные результаты [Ферт ], в которых проницаемость вела себя подобным образом , т.е . при уменьшении концентрации величина е уменьшается . Разница настоящих и ранее полученных измерений не велика , от неё график лишь сдвигается на определённое значение . Эта разница может быть объяснена разными температурами условий измерения. Следующие графики получены при измерении этих же величин , но для более точного и многоуровневого концентрационного ряда . Здесь использовалась ячейка с медными электродами . Схема эксперимента такая же как и в случае с ячейкой , имеющую платиновые электроды . Рисунок 5. Зависимость электропроводности от концентрации. Как видно из рисунка , проводим ость и в данном случае ведёт себя также , её величина начинает убывать с концентрации 10%. Этот максимум вызывает множество вопросов у исследователей . Некоторые объясняют его изменением подвижности ионов магнитной жидкости с изменением концентрации . Предпо л агается , что при больших концентрациях подвижность большая , следовательно , число ионов , участвующих в электропроводности велико . При разбавлении МЖ карасином проводимость , а значит , и подвижность увеличивается до определённого значения количества керосина в МЖ . Далее , начиная приблизительно с концентрации 10%, подвижность ионов падает , и проводимость соответственно уменьшается . Другая теория объясняет такое поведение проводимости увеличением степени электролитической диссоциации при увеличении дисперсной ф а зы в МЖ . Возможно , эти два механизма осуществляются одновременно , накладывая такой отпечаток на поведение графика. Диэлектрическая проницаемость ведёт себя следующим образом. Рисунок 6. З ависимость диэлектрической проницаемости от концентрации МЖ. Следующие графики изображают зависимости измеряемых величин от изменения направления параллельного и перпендикулярного магнитных полей для различных концентраций. Рисунок 7. Изменение проводимости в перпендикулярном магнитном поле. Рисунок 8. Изменение проницаемости в перпендикулярном магнитном поле. Рисунок 9. Относительное изменение проводимости в параллельном магнитном поле. Рисунок 10. Изменение проницаемости в параллельном магнитном поле. Список использованной литературы. 1. Вегера Ж.Г . Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при её взаимодействии с электрическими и магнитными полями . Дис . к анд . физ.-мат . наук . - Ставрополь , 2004. Духин С.С . Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем . – Киев .: Наук . думка , 1975. Лопатин Б.А . «Теоретические основы электрохимических методов анализа» М .: высшая школа , 1975г , 296 с. Сивух ин Д.В . Общий курс физики . Том 3- Электричество . Москва , 1977 Фертман В.Е ., Гордеев Г.М ., Матусевич Н.П ., Ржевская С.П . Электрические свойства магнитных жидкостей . Свердловск : УНЦ АН СССР , 1983.