УДК 537.855, 537.632/.636
ДЕФОРМАЦИЯ КАПЛИ КАУЧУКА В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ
,
Кафедра общей физики Ставропольского государственного университета
*****@***ru
Интерес к исследованию поведения капель жидкости в силовых полях связан как с широким применением эмульсий и аэрозолей в технике и быту, так и чисто научной проблемой изучения движения жидких масс, нередко ведущих себя в условиях невесомости, подобно каплям [1-2]. В связи с созданием в середине 1960-х гг. жидких намагничивающихся сред – магнитных жидкостей (ферроколлоидов) – возникла идея создания магниточувствительных эмульсий. Они могут быть созданы путем диспергирования как магнитной жидкости в немагнитной среде, так и немагнитной жидкости в ферроколоидах. В настоящей работе исследуется капля жидкого каучука, взвешенная в магнитной жидкости на основе керосина, объемная концентрация которой составляет 13 %. Размер капель 5 – 30 мкм.
Экспериментальное изучение формы капель проводилось с помощью наблюдений в оптический микроскоп, который помещался между катушками Гельмгольца, создающими однородное магнитное поле в месте расположения кюветы с магнитной эмульсией. Исследование особенностей деформации капель при совместном действии переменного электрического и постоянного магнитного полей проводилось с помощью ячейки, представляющей собой два прямоугольных стекла с прозрачным токопроводящим покрытием. Между стеклами помещалась фторопластовая пленка с отверстием посередине, которое заполнялось исследуемой средой, после чего ячейка закреплялась на столике микроскопа. Толщина слоя составляла 20-60 мкм и регулировалась подбором пленок разной толщины. Изменение формы микрокапель фиксировалось путем фотографирования с помощью цифровой видеокамеры с последующим занесением снимков в компьютер для обработки.
Изучение процесса деформации капель показало, что в переменном электрическом поле, первоначально сферические капли изменяют свою форму. Причем это изменение зависит от частоты и напряженности электрического поля. Так при фиксированной частоте с увеличением амплитуды напряженности электрического поля происходит сплющивание капли вдоль направления поля, капля принимает форму сплюснутого эллипсоида вращения. При дальнейшем увеличении напряженности наблюдалось образование сквозного отверстия в центре сплюснутой капли, и капля принимала форму тора. Дальнейшее увеличение амплитуды напряженности приводило к возникновению изгибной неустойчивости, капля принимала форму, напоминающую «змейки», которые затем разрывались на множество мелких, вращающихся в различных направлениях, капель. На рис. 1. показана динамика формы капли при последовательном увеличении напряженности переменного электрического поля.
В работе [3], вращение капли объясняется опрокидыванием ее дипольного момента под действием внешнего постоянного электрического поля, когда оно превышает некоторое пороговое значение. Для величины критической напряженности постоянного электрического поля, при которой может наблюдаться вращательная неустойчивость твердой частицы, помещенной в жидкую среду, получено выражение:
(1)
где безразмерный коэффициент 
, h1 – вязкость магнитной жидкости, ε1, ε2 – диэлектрические проницаемости магнитной жидкости и каучука соответственно, σ1, σ2 – удельные проводимости магнитной жидкости и каучука соответственно, τ1, τ2 – время релаксации заряда в магнитной жидкости и на поверхности капли соответственно (
), τr – время релаксации Максвелла – Вагнера на границе раздела двух сред (
). Воспользуемся этим выражением для оценки величины критической напряженности электрического поля. Соответствующий расчет дает значение 
, что по порядку величины соответствует полученным нами экспериментальным данным. Данное обстоятельство позволяет заключить, что механизм электровращения, наблюдавшегося в наших экспериментах имеет сходную природу с описанным в [3].
На рис. 2а представлена фазовая диаграмма, характеризующая деформацию капли каучука при действии переменного электрического поля. Пунктир соответствует критическому значению напряженности переменного электрического поля, при котором наблюдается вращение капель. Цифрой 1 отмечена область, в которой наблюдается сплющивание капли, 2 – область образования торов, 3 – область изгибной неустойчивости, 4 – область вращения капель, 5 – область интенсивных электрогидродинамических течений.
Как показали проведенные эксперименты, дополнительное воздействие постоянного магнитного поля соноправленного электрическому приводит к качественному изменению характера деформации капли. В частности, при достижении некоторого значения напряженности магнитного поля образование тороидальной конфигурации капли не происходит и сплюснутая капля с ростом электрического поля начинает испытывать изгибную неустойчивость, минуя фазу тороидальности, что далее также приводит к разрыву капли на множество вращающихся капель. Критическое значение напряженности магнитного поля, соответствующее прекращению образования тороидальных капель составило 700 A/м.
Для выяснения влияния магнитного поля на закономерности деформации капель были построены фазовые диаграммы на основе экспериментальных наблюдений (рис. 2).
Так на рис. 2б представлена фазовая диаграмма, полученная при одновременном действии постоянного магнитного поля напряженностью 550 А/м. Как видно из графика области соответствующие изгибной неустойчивости и вращению капель существенно отличаются от тех, которые были получены в отсутствие магнитного поля. На рис. 2в представлена диаграмма, полученная при дополнительном действии магнитного поля напряженностью закритического значения (920 A/м). Как видно на этой диаграмме отсутствует фаза образования торов, о чем говорилось ранее.
Таким образом, на основе результатов проведенных исследований можно заключить, что действие как электрических, так и магнитных полей может приводить к существенному изменению структурного состояния изучаемых систем. Это позволяет сделать вывод о возможности регулирования диэлектрических свойств таких сред магнитным полем, и наоборот, магнитных свойств посредством воздействия электрического поля, что позволяет ожидать проявления интересных закономерностей магнитодиэлектрических свойств магниточувствительных эмульсий при воздействии на них внешних полей.
Список литературы
1. , , Закинян микрокапель магниточувствительной эмульсии в магнитном и электрическом полях // Коллоидный журнал. 2006. Т. 68. № 2. С. 161 – 165.
2. Torza S., Cox R. G., Mason S. G. Electrohydrodynamic deformation and burst of liquid drops // Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A. 1971, vol. 269, N 1198, pp. 295 – 319.
3. Jong-Wook Ha and Seung-Man Yang Electrohydrodynamics and elektrorotation of a drop with fluid less conductive than that of the ambient fluid // Physics of fluids, volume 12, number 4, april, 2000.
Научный руководитель – д. ф-м. н., профессор
