Особенности процессов зарядообразования в слое магнитной жидкости

Вегера Ж.Г., Диканский Ю.И., Шацкий В.П.

Особенности поведения магнитных коллоидов в электрических полях во многом определяются взаимосвязанными процессом формирования в приэлектродном пространстве свободного заряда и изменением структурного состояния системы. Действительно, в случае образования вблизи электродов слоя более концентрированной магнитной жидкости на границе между сильно и слабоконцентрированными фазами должен появиться свободный заряд, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля в ячейке. Оценку величины формирующегося гетерозаряда можно сделать, представив измерительную ячейку в виде конденсатора, содержащим три слоя слабопроводящего диэлектрика. Предположим, что толщина слоев высококонцентрированной фазы у каждого из электродов одинакова и равна , их удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость равны и соответственно, а проводимость и диэлектрическая проницаемость лежащего между ними слоя менее концентрированной жидкости равны и . Тогда поверхностная плотность свободных (сторонних) зарядов на границе раздела двух слоев , где - напряженность поля в приэлектродных слоях диэлектрика, - в среднем слое. Согласно условию стационарности тока j₁=j₂ , т.е. . С другой стороны , или . Из двух последних уравнений нетрудно найти и , подстановка которых в уравнение для поверхностной плотности зарядов дает

. (1)

Анализ формулы (1) показывает, что для оценки необходимо определить толщины слоев сильно- и слабоконцентрированных фаз, а также их удельные проводимости и диэлектрические проницаемости. Однако, это сделать в реальных условиях затруднительно. Кроме того, сосредоточенный в приэлектродном пространстве слой сильноконцентрированной фазы, как следует результатов экспериментальных исследований, на самом деле не является однородным, а представляет собой лабиринтную или полосовую структурную сетку. Поэтому, поле создаваемое зарядами, сосредоточенными на межфазных границах такой сетки не является пространственно однородным. Действительно, потенциал поля заряженной полосовой сетки может быть представлен [А.И. Ахиезер. Электрические и магнитные явления. – Киев: Наукова думка, 1981. – 472 с.] в виде:

(2)

Очевидно, что напряженность поля, найденная согласно формуле E = gradjпутем подстановки j в виде выражения (2), также изменяется как вдоль направления параллельного плоскости слоя (x), так и перпендикулярного (z) ему. При этом пренебрежение неоднородным пространственным распределением поля заряженной сетки возможно только на расстояниях, существенно превышающих размеры ячеек сетки. Можно предположить, что именно решетчатый характер сформировавшегося в приэлектродном пространстве слоя высококонцентрированной жидкости (на межфазных поверхностях которого сосредотачиваются свободные заряды) и является причиной плавного, а не скачкообразного изменения напряженности поля в зависимости от расстояния от электродов, установленного в [2]. Вышеизложенное указывает на необходимость поиска более точных способов определения величины формирующегося в приэлектродном пространстве свободного заряда. С целью осуществления одного из таких способов нами были проведены исследования особенностей электрической проводимости при создании течения в магнитной жидкости [3]. Оказалось, что значение силы тока, протекающего через ячейку с магнитной жидкостью, увеличивается при возрастании скорости сдвига, достигая при некотором градиенте скорости максимального значения. Было предположено, что наблюдаемое явление связано с полным размыванием приэлектродного заряда. Последнее позволило произвести расчет величины поверхностной плотности этого заряда, которая оказалась равной s=0,4 мкКл/м², что согласуется по порядку величины с приведенным в [2], где его оценка проводилась при использовании другого (косвенного) метода.

С целью дальнейшего изучения особенностей процесса переноса заряда в коллоидной среде, и связи их с процессами структурировании, подобные исследования были проведены для образцов магнитной жидкости с различным объемным содержанием дисперсной фазы (рис. 1). Как видно из рисунка, значение тока, а также его изменение с увеличением скорости течения жидкости существенно зависит от концентрации твердой фазы. Полученные зависимости позволили рассчитать по методике, преложенной в [3], значения поверхностной плотности приэлектродного заряда для образцов соответствующих концентраций (рис. 2).

Оказалось, что максимум σ=f(С) соответствует магнитной жидкости, с концентрацией твердой фазы С=6%. Дополнительно проведенные исследования концентрационной зависимости электрической проводимости (расчет которой проводился по ВАХ образцов) магнитной жидкости выявили наличие на ней максимума при концентрации, соответствующей максимуму концентрационной зависимости поверхностной плотности приэлектродного заряда.

Результаты исследования зависимости тока от скорости сдвига позволяют также оценить время формирования свободного заряда в приэлектродном пространстве. Действительно, прекращение увеличения тока при некоторой скорости потока может указывать на то, что время протекания жидкости между электродами не достаточно для образования в ней свободного заряда. Это дает возможность при известных размерах ячейки провести оценку времени формирования заряда. Соответствующие расчеты дали для этого времени значение порядка нескольких единиц секунд (в зависимости от взятой в расчет толщины поверхностного слоя), что соответствует времени образования вблизи поверхности лабиринтной структуры. Для оценки времени формирования свободного заряда в приэлектродном пространстве были также проведены частотные исследования электропроводности магнитной жидкости.

На рис.3 приведена зависимость сопротивления ячейки с магнитной жидкостью от частоты подаваемого на нее напряжения при различных концентрациях свободной (несвязанной) олеиновой кислоты.

Если предположить, что наблюдаемое уменьшение сопротивления происходит вследствие того, что при этой частоте поля заряд не успевает накапливаться близи электродов, то время релаксации этого заряда оказывается равным t=10^-3-10^-4 с, что значительно отличается от значения, полученного по результатам исследования зависимости силы тока от скорости сдвигового течения. Это может свидетельствовать о сложном процессе формирования свободного заряда в приэлектродной области – первоначально происходит накопление заряда в приэлектродном пространстве, приводящее к возникновению слоя высококонцентрированной фазы. В дальнейшем происходит формирование заряда на границе этого слоя с остальным объемом магнитной жидкости.

Литература

1. А.И. Ахиезер. Электрические и магнитные явления. – Киев: Наукова думка, 1981. – 472 с.

2. Ерин К.В. Изучение кинетики двойного лучепреломления в коллоидных системах при воздействии внешних электрического и магнитного полей: Дис. канд. физ.–мат. наук. – Ставрополь, 2001.– 151 с.

3. Вегера Ж.Г., Диканский Ю.И. Эффекты структурообразования и особенности процесса переноса заряда в тонких слоях магнитной жидкости // Материалы 50-й юбилейной научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука – региону». – Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005. – С. 11-15.