Изучение особенностей электрических свойств магнитных жидкостей (стр. 3 из 5)

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 φ=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 φ=0.27, сила тока увеличивалась 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 φ=0.27. Для частиц средним диаметром d_ср=10 нм и толщины адсорбционного слоя δ=2нм (максимальная длина молекулы олеиновой кислоты) получим φ_r=(d_r/d_ср)*φ=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 основой, 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 φ=0.27, содержащей избыточное 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 электрической 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 характеристике. 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 электрическая проводимость магнетитовых магнитных жидкостей на углеводородной основе, измеренная на переменном токе f=60Гц, имеет тот же порядок, что и проводимость, измеренная на постоянном токе: γ=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 lnγ 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 существовании 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 материалов, 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 углеводородной 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 данные 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 между 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 методы 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, относительная диэлектрическая проницаемость ε определяется как отношение ёмкости С конденсатора, диэлектриком у которого является в данном случае исследуемая магнитная жидкость, к ёмкости С₀ конденсатора, диэлектриком у которого является вакуум:

Из этого соотношения видно, что относительная диэлектрическая проницаемость ε является величиной безразмерной и не зависит от выбора системы единиц.

Для безвоздушного пространства ε=1, для воздуха ε=1,0006, для остальных веществ ε > 1. При внесении диэлектрика между электродами конденсатора наблюдается увеличение ёмкости в ε раз. Причиной этого является поляризация диэлектрика, вследствие чего на поверхностях соприкосновения электродов с диэлектриком возникают связанные заряды, способствующие уменьшению в ε раз интенсивности поля Е и разности потенциалов:

Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε_а, в отличие от относительной, имеет размерность [ф·м^-1]. Между абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями существует следующая зависимость:

ε_а= ε ε₀,

где ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, имеющая следующую размерность в единицах СИ:

ε₀= 10⁷/4πС² ф·м^-1= 8.85·10^-12 ф·м^-1,

где скорость света в вакууме С= 2.998·10⁸ м·сек^-1.

Сила взаимодействия наэлектризованных тел, согласно закону Кулона

зависит как от электрических зарядов этих тел q₁ и q₂ и расстояния между ними r, так и от среды, в которой находятся взаимодействующие тела, характеризуемой абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями.

Смещение 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 разрядки 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 = ε ε₀ 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 проводящих 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 диэлектрической 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 частотах изменение индукции следует за изменением поля без запаздывания. Изменение электрического поля и поляризация находятся в фазе и относительная диэлектрическая проницаемость имеет максимальную величину (ε = ε’). 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 (ε’ << ε) – наблюдается так называемая дисперсия диэлектрической проницаемости.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости имеет сложный вид, зависит от структуры вещества и применяемой для измерения частоты.

Особенно сильные изменения температурной зависимости диэлектрической проницаемости наблюдаются при структурных изменениях молекул, при фазовых переходах и т.п.