Дипломная работа на тему "Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондуктометрической ячейке с магнитной жидкостью"

ГлавнаяФизика → Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондуктометрической ячейке с магнитной жидкостью




Не нашли то, что вам нужно?
Посмотрите вашу тему в базе готовых дипломных и курсовых работ:

(Результаты откроются в новом окне)

Текст дипломной работы "Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондуктометрической ячейке с магнитной жидкостью":


ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондуктометрической ячейкЕ с магнитной жидкостью

Выполнила:

студентка 5 курса ФМФ

отд. «Физика/Математика», группа «В»

Савельева Анна Евгеньевна

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат. наук

доц. Полихрониди Н. Г.

Научный консультант:

доц. Баграмян В. А.

План дипломной работ ы

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................ 3

ГЛАВА I. Обзор литературы..................................................................................... 4

I.1. Аккумуляция энергии в ячейке с МЖ........................................................ 4

I.2. Анизотропия электропроводности МЖ, наведенная внешним воздействием...................................................................................................................... 6

ГЛАВА II. Действие электрического и магнитного полей на структурные элементы МЖ.......................................................................................................... 10

II.1.1. Действие ЭП на свободный заряд........................................................ 10

II.1.2. Действие ЭП на электрический диполь................................................ 10

Заказать дипломную - rosdiplomnaya.com

Уникальный банк готовых оригинальных дипломных работ предлагает вам приобрести любые работы по желаемой вами теме. Грамотное выполнение дипломных работ по индивидуальным требованиям в Самаре и в других городах России.

II.2.1. Действие МП на движущийся заряд.................................................... 13

II.2.2. Действие МП на магнитный диполь..................................................... 15

ГЛАВА III. Математическая теория проводимости МЖ......................................... 16

III.­1. Теория проводимости............................................................................. 16

III.2. Влияние ЭП на подвижность МЖ.......................................................... 20

III.3. Влияние МП на подвижность МЖ......................................................... 21

ГЛАВА IV. Результаты эксперимента и их обсуждение.......................................... 24

1.  Исследование ВАХ МЖ при разных темпах нагружения ячейки............ 24

2.  Влияние температуры на ВАХ МЖ........................................................... 34

3.  Исследование разряда и саморазряда КЯ с МЖ...................................... 38

4.  Влияние температуры на разряд и саморазряд КЯ с МЖ....................... 51

5.  Влияние МП на ВАХ, разряд и саморазряд КЯ с МЖ............................ 56

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................. 59

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................... 60

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные жидкости (МЖ) на основе керосина обладают некоторой электрической проводимостью.

Носителями заряда могут быть остаточные ионы технологической процедуры при изготовлении МЖ как продукт распада ионных атмосфер, сопутствующих стабилизирующей оболочке диспергированных частиц и их агрегатов. Предположить в качестве носителей сами магнитные частицы и их агрегата можно, но большая масса и низкая подвижность при, в общем, малом, по-видимому, избыточном заряде маловероятна.

Следствием зависимости могут стать другие явления, уже обнаруженные.

Так уже замечена спонтанная поляризация электродов кондуктометрической ячейки (КЯ), обусловленная, скорее всего, некоторой асимметрией материала электродов. Отчетливо проявляется гистерезис в ходе ВАХ, обусловленный, по-видимому, темпом нагрузки КЯ. Неясна лишь его зависимость от внешних условий, внутреннего состава и структуры МЖ как системы.

Другое замечательное свойство МЖ, связанное с ее проводимостью, – это аккумуляция заряда и энергии в КЯ при ее заряжении. Многие детали этого явления еще скрыты, но кое-что известно определенно. Установлено соотношение (качественное) между заряжающим напряжением и максимальной разностью потенциалов в заряженной КЯ. Изучен ход разряда и найдено, что заряд, накопившийся в ней, значительно превышает заряд этой же ячейки, взятой в роли конденсатора с воздушно-керосиновым и олеиновокислотным наполнителем.

Все эти факты позволили провести первую грубую оценку электрических характеристик МЖ. В настоящей работе продолжены исследования проводимости МЖ на основе керосина и аккумуляции энергии в КЯ в условиях применяющейся температуры; получены некоторые новые результаты о механизме разряда путем изучения саморазряда КЯ и сопоставления его с полным разрядом. Эти результаты пока еще не отличаются высокой степенью точности (количественной) ввиду повышенной чувствительности МЖ к температуре, но качественно определены.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

I.1. Чеканов В. В., Бондаренко Е. А., Кандаурова Н. В. Накопление заряда в электрофоретической ячейке с МЖ

Были проведены исследования электрических свойств МЖ «магнетит в керосине» с ПАВ, олеиновой кислотой объемной концентрацией 5-12 %.

ВАХ ячейки, используемой в данной работе нелинейны, поэтому ячейку можно представить как конденсатор, накапливающий заряд на обкладках, величина которого оказалась равной 10‑5 Кл(эквивалентная емкость такого конденсатора порядка 10 мкФ.

При подаче на ячейку прямоугольного импульса напряжения с амплитудным значением ± 10 В зависимость напряжения на ячейке от времени имеет вид.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Получили функцию, вида

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., C1 – порядка 10 нФ; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., C2 – порядка 10 мкФ.

Оптические исследования показывают, что время применения отражательной способности ячейки при подаче на нее импульсного напряжения и освещении светом длиной волны l = 504 нм, имеет тот же порядок, что и время зарядки конденсатора.

При подаче const напряжения на ячейку в ней течет ток, под действием которого частицы магнетита двигаются к электродам, образуя вблизи поверхностей проводящий слой, отделенный слоем ПАВ. В объеме ячейки образуется объемный заряд, который обуславливает проводимость ячейки.

Предполагается, что можно рассматривать ячейку как систему последовательно соединенных конденсаторов, обкладки которых представляют собой проводящий слой диоксида олова, слой проводящих частиц с непроводящим слоем ПАВ, проводящую среду, обусловленную возникновением объемного заряда. Эквивалентная схема ячейки:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Используя известные формулы электродинамики, была проведена оценка толщины слоя ПАВ для данной модели. Он оказался порядка 10-50 А, что по порядку величины соответствует толщине ПАВ на коллоидных частицах.

Ячейка обладает нелинейным сопротивлением R, что можно объяснить возникающими в объеме жидкости электрогидродинамическими течениями. В связи с нелинейностью J(U) удалось наблюдать автоколебания тока в схеме с ячейкой.

Полихрониди Н. Г., Кусова А. А. Электро - и магнитно-полевая аккумуляция электрического заряда в ячейке с МЖ

Было проведено исследование эффектов, сопутствующих дрейфу частиц дисперсной фазы, возбужденному течением МЖ типа магнетит в керосине плотностью 1,25 Мг/м3 и проводимостью 100 пСм/м.

В ходе экспериментов пришли к следующему заключению: т. к. МЖ является наследственной системой, то при непрерывном применении действующего на нее фактора последующее состояние зависит от предыдущего, является неравновесным, а равновесие может быть достигнуто с определенным запаздыванием.

Отсюда гистерезис, зависящий от темпа dU/dt наращивания поля при снятии ВАХ. Величина расщепления ВАХ зависит от времени релаксации и текучести МЖ. Поэтому возможен такой подбор темпа, при котором расщепление будет отсутствовать.

Аккумуляция заряда в КЯ под действием ЭП на МЖ может быть объяснена движением и концентрацией массивных комплексов и агрегатов, а также отдельных частиц дисперсной фазы вблизи электродов. Эти скопления сохраняются в течение 10-70 с. При замыкании электродов на нагрузку (измерительный прибор) наблюдается ток разрядки. Природа тока диффузионная. Механизм протекания сложен: внутри ячейки он обусловлен дрейфом ионов, вне – дрейфом электронов, образующими в цепи КЯ единый ток. Закон изменения тока задается процессом диффузии аккумулированных заряженных частиц. Причиной же аккумуляции является электрофорез тяжелых носителей заряда.

Аккумуляция заряда под действием МП на МЖ может быть объяснена как следствие фореза магнитных частиц под действием магнитной силы. Накопление заряда возможно, если перемещаемые частицы обладают адсорбированным зарядом или увлекают вязкостным механизмом другие заряженные микрообъекты.

Была разработана методика использования ВАХ и токов разряда обоих видов для расчета концентраций и подвижностей носителей.

I.2. Кожевников В. М., Ларионов Ю. А. Анизотропия электропроводности дисперсных линейных систем, наведенная внешним воздействием

Чтобы полидисперсность не искажала измеряемые в опытах характеристики частиц, необходимо измерять анизотропию электропроводности дисперсных частиц, ориентируя их полями разной напряженности.

Вектор ориентирующего поля направлен по оси Z. Обозначили изменение электропроводности дисперсной системы, вызванное ориентацией частиц вдоль оси Z, через бкII, а в направлении, перпендикулярном оси – через бкI, где бкII = кII-к, бкI = кI-к.

В тех случаях, когда электропроводности дисперсной системы велики, воздействие ориентирующего поля приведет к ее увеличению за счет джоулева тепла, выделившегося при прохождении тока через дисперсную систему. Эти изменения могут быть сравнимы с измеряемыми величинами бкII и бкI. Однако ошибки при определении бкII и бкI в этом случае будут одинаковыми, и разность бк = бкII-кI исключает данную погрешность, поэтому эта величина исследовалась в данной работе.

Экспериментальные измерения бкII проводились с помощью кюветы, содержащей 4 зонда и 4 электрода. К электродам А и В подводилось воздействующее поле, вдоль оси АВ – направляли вектор МП, электроды С, Д – измерительные. 1-4 – зонды. В области зондов, расстояния между которыми значительно меньше, чем между электродами, ориентирующее и измерительные поля практически однородны. С помощью зондов 1 и 3 можно измерять относительное изменение электропроводности вдоль ориентирующего поля, а с помощью зондов 2 и 4 – относительные изменения электропроводности в перпендикулярном направлении, которые пропорциональны относительному изменению напряжений U13 и U24.

Результаты исследования анизотропии электропроводности МЖ от величины МЖ от величины МП, представлены на рис. 2 (где кривая 1 снята для исходной жидкости, кривая 2 – после воздействия на жидкость ЭП), подтвердили эффективность предложенной методики исследования.

Постановка задачи

Ранее было установлено, что при пропускании электрического тока через КЯ с МЖ в ней накапливается электрический заряд, который можно заметить при разряде КЯ на нагрузку (самописец или измерительный прибор). Как оказалось, разрядный ток подчиняется экспоненциальному закону и по величине тока можно определить электрическую емкость ячейки.

При исследовании ВАХ был обнаружен гистерезисный эффект, который можно объяснить инертностью протекания релаксационных процессов в МЖ. МЖ обладает способностью накапливать заряд под действием ЭП, поэтому возникает запаздывание в уменьшении силы тока при уменьшении величины напряжения, подаваемого на ячейку. Гистерезис наблюдается, если время релаксации МЖ превышает или соизмеримо с периодом наращивания напряжения. Если время релаксации много меньше периода наращивания напряжения, то ВАХ приобретает линейный характер.

При исследовании зависимости пикового значения разности потенциалов на ячейке от продолжительности заряда МЖ было обнаружено существование предельного напряжения – эффект «насыщения» – по величине меньшего, чем напряжение, подаваемое на ячейку от источника питания.

В данной дипломной работе ставятся следующие задачи:

I.  1. Показать возможности переноса заряда теоретическим путем.

2. Действие ЭП на свободные заряды и электрические диполи.

3. Действие МП на магнитный заряд.

II.  Снятие ВАХ в задаваемом темпе наращивания напряжения, подаваемого на КЯ, нагреваемую определенной температуры и наблюдение за ходом кривой.

III.  1. Выяснение зависимости пикового значения разрядного тока КЯ с МЖ при ее заряде от продолжительности заряжения, заряжающего напряжения и температуры МЖ в КЯ.

2. Выяснение влияния времени саморазряда ячейки на ход кривой разрядного тока, на величину пикового значения разрядного тока, а также выяснение влияния температуры на время саморазряда (на ход кривой разрядного тока и на его пиковое значение).

IV.  Выяснение влияния МП в пределах Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. на ВАХ КЯ и на кривую разрядного тока.

ГЛАВА II. ДЕЙСТВИЕ ПОЛЕЙ
НА СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МАГНИТНОГО КОЛЛОИДА

II.1.1. Действие ЭП на свободный заряд

Одним из непременных элементов МЖ является свободный электрический заряд изначально свободный или появившийся из ионной атмосферы частицы – дисперсной фазы (мицеллы) в результате действия какого-либо фактора. Одним из таких факторов может быть ЭП при пропускании тока. Это поле легко разрушает оболочку эластично связанную с частицей, предварительно вытягивая мицеллу в диполь и отрывая от нее иона, переводя из разряда связанных в свободные. Свободные электрические заряды при наложении на МЖ ЭП подвержены действию этого поля.

Если ЭП вызвано одним точечным зарядом q, величина напряженности поля получается непосредственно из закона Кулона путем деления обеих частей равенства на величину второго заряда:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Используя закон Кулона в векторной форме запишем напряженность ЭП точечного заряда также в векторной форме:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Если известна напряженность поля в какой-либо точке, то тем самым определена и сила, действующая на электрический заряд, помещенный в эту точку. А именно:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.;

Кулоновская сила Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. обуславливает потенциальную энергию W этого поля Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где j – потенциал поля в той точке, где находится в данный момент свободный заряд.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

II.1.2. Действие ЭП на электрический диполь

Наряду со свободными зарядами в магнитном коллоиде существуют электрические диполи, образованные как результат деформации:

а) при прямом действии ЭП; б) при механическом движении в силу действия кулоновских и вязкостных сил.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Найдем силу, действующую на диполь в ЭП, причем будем считать сначала, что поле однородно. На концы диполя действуют равные по величине силы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Эти силы направлены в противоположные стороны и образуют пару сил. Момент M этой пары равен:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

где a – угол между вектором Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и напряженностью Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. поля. Величину Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. называют моментом диполя, который является вектором. Он направлен также, как и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., т. е. от отрицательного заряда к положительному.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Пользуясь понятием момента диполя, можно написать выражение для момента пары сил, действующей на диполь, в виде:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Направление момента этой пары совпадает с направлением оси вращения диполя, т. е. перпендикулярно к Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Или же, используя векторную алгебру, можно записать:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

В однородном поле на диполь действует только пара сил, которая стремится повернуть диполь таким образом, чтобы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. были параллельны. Для того, чтобы повернуть диполь в ЭП на некоторый угол, нужно совершить определенную работу. Т. к. эта работа равна увеличению потенциальной энергии диполя, то отсюда можно найти выражение для энергии диполя в ЭП. Примем за нуль энергию диполя, перпендикулярного к направлению поля Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Тогда энергия диполя, момент которого составляет угол a с направлением поля, равна

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рассмотрим теперь диполь в неоднородном поле и положим, что момент диполя параллелен направлению поля Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (см. рис.).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Силы, действующие на концы диполя, уже неодинаковы, и поэтому их результирующая ¹ 0. На диполь в неоднородном поле действует сила, стремящаяся передвинуть диполь в область поля с большей напряженностью. Найдем величину той силы. Направим координатную ось X вдоль момента диполя и будем считать, что длина диполя Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. мала (элементарный диполь). Сила, действующая на «-» конец диполя, есть Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где E – напряженность поля в точке нахождения заряда –q. Сила, действующая на «+» конец диполя, равна Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – длина диполя. Поэтому полная сила

.

В однородном поле Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и результирующая сила равна нулю.

Если диполь находится в неоднородном поле и не параллелен полю, то на него действуют и пара сил, стремящаяся повернуть диполь параллельно полю, и сила, втягивающая диполь в область более сильного поля.

Пусть Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – составляющие напряженности ЭП в прямоугольных осях координат, а Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – составляющие момента диполя в тех же осях. Тогда составляющая силы по оси Х равна

.

Составляющая силы Fy и Fz выражаются аналогичными формулами.

;

;

;

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Если ось Х направить вдоль вектора Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., то

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Дипольность обеспечивает частице энергию Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

В практике исследований проводимости МЖ обычно используют однородное ЭП.

Магнитное поле на электрический (неподвижный) заряд не действует, согласно общему выражению для силы Лоренца

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – электрическая и магнитная составляющие.

При Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Если же Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., то даже при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Т. к. тепловое движение хаотично, то действие силы Лоренца на МЖ в среднем никак не ощущается, поскольку ионы-носители заряда являются частицами замкнутой системы. Небеспорядочной скоростью могут обладать носители в дрейфе (ток) или в едином гидродинамическом потоке. Тогда сила Лоренца подействует на каждую частицу одинаково и вся система носителей должна сдвинуться. При этом часть носителей будет увеличена из потока и уменьшить ток.

II.2.1. Действие магнитного поля на движущийся заряд

Каждый проводник с током создает в пространстве МП. Но электрический ток в проводнике есть движение заряженных частиц: в металлах – это движение е-, в электролитах – ионов, в газовом разряде – и ионов, и е-. Отсюда можно заключить, что всякий движущийся заряд создает вокруг себя МП. Найдем величину этого поля.

Рассмотрим малый отрезок провода длиной l с током i. Этот отрезок создает в некоторой точке, удаленной на расстояние r, напряженность поля

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Но силу тока можно выразить через плотность тока j и сечение провода Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., а плотность тока – через концентрацию заряженных частиц n и их скорость Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Это дает Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где N – полное число частиц в отрезке провода. Напряженность поля можно представить в виде Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Напряженность поля, вызываемого одной заряженной частицей, имеет значение

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Направление этого поля перпендикулярно к скорости v частиц и к радиусу – вектору r, проведенному из заряда в рассматриваемую точку, и подчиняется правилу правого буравчика. Используя обозначение векторной алгебры

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Эта формула выражает напряженность поля «+» заряда, движущегося со скоростью v. Если движется «-» заряд, то в формуле нужно заменить е на - е.

Движущийся заряд по своим магнитным действиям эквивалентен элементу тока Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. В этих формулах v – относительная скорость, т. е. скорость относительно наблюдателя и тех приборов, которые измеряют МП.

Т. к. всякий ток есть движение заряженных частиц, следовательно, на движущийся заряд в МП действует сила. Определим величину этой силы. На провод длиной l с током i действует сила Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где B – магнитная индукция. С другой стороны Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где N – полное число движущихся заряженных частиц внутри провода. Учитывая, что направление Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. совпадает с направлением скорости Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. движения «+» частиц (с направлением тока), можно выражение для силы представить в виде:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Сила, действующая на провод, пропорциональна полному числу движущихся частиц, а значит, сила, действующая на одну частицу, равна

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Направление этой силы перпендикулярно к направлению скорости v и магнитной индукции B и подчиняется правилу правого буравчика (см. рис.).

Полученный результат можно выразить в виде векторной формулы

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Если имеется еще ЭП, то полная сила равна

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Эту силу, действующую на движущийся заряд, называют силой Лоренца.

Эта формула получена на основе анализа опытных данных о взаимодействии неподвижных контуров с током. Поэтому скорость v в формуле есть скорость относительно МП.

Сила Лоренца проявляется при движении е - и ионов в МП.

II.2.2. Действие МП на магнитный диполь

Другим, определяющим специфичность МЖ, структурным эффектом является магнитный диполь – микрокристаллический агрегат в коллоидной частице. В измерениях с участием МП используются однородные и неоднородные поля. Действие этих полей на магнитный диполь аналогично действию ЭП на электрический диполь.

Действительно, пусть магнитный диполь Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. помещен в произвольное МП Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., тогда на него действует механический момент:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Выражение упростим, если поле будет однородным, т. к. система координат может быть выбрана так, чтобы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. или Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., или оба вектора совпадали с одной (двумя) осями координат. Энергия диполя просто задается формулой Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Магнитный диполь в случае действия на него неоднородного МП Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. подвержен действию магнитной силы:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Так как в местах расположения магнитных диполей токи, образующие поле отсутствуют, то Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., но тогда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

В однородном МП все производные равны нулю, следовательно, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Поэтому МЖ должна подвергнута действию ИМП. Наибольшее влияние на дрейф будет достигнуто, если сила Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (т. к. другой упорядочивающей скорости нет). Следовательно, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. должна быть коллинеарна напряженности ЭП, создающего ток.

Пусть Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. или Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Это возможно, если Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., т. е. когда и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

В этом случае Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Эта сила будет вытягивать диаполи при благоприятной их ориентации до полной минимизации магнитной поступательной энергии. Поле такого рода однонаправлено, но неоднородно из-за различной густоты магнитных силовых линий. Такое поле может быть создано при помощи полосового постоянного магнетита вблизи его полюсов, площадь сечения которых заметно больше площади КЯ, или с помощью соленоида с теми же габаритами.

ГЛАВА III. Математическая теория проводимости МЖ

III.1. Теория проводимости

Плотность тока дрейфа под действием кулоновского поля в любой момент времени определяется выражением (при одном знаке носителей):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где g – заряд отдельного носителя, n – концентрация носителей, vдр – скорость дрейфа.

В более общем случае для двух носителей Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где знаки «+» и «-» относятся к положительным и отрицательным носителям соответственно.

Т. к. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (m – подвижность), то Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., считая, что Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., и что Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., то Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где s - коэффициент электропроводимости.

Наряду с током, обусловленным дрейфом, возникает диффузионный ток с плотностью

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где rз – объемная плотность заряда, равная gn, D – коэффициент диффузии, определяемый соотношением Нернста-Эйнштейна.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

тогда полный ток составит (в случае носителей одного знака)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.;

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

При условии продолжительного действия поля E наступает динамическое равновесие, при котором Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Отсюда нетрудно получить с учетом Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. для одномерного случая Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., что

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. или Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

После интегрирования можно получить

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

здесь Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – значение r при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Разделение носителей заряда неоднородно ввиду различия их состава, массы, подвижности. Поэтому и m, и E являются функциями координат. Среднее значение плотности тока по толщине кондуктометрической ячейки КЯ вдоль оси ОХ, перпендикулярной площади электродов будет

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

причем, согласно уравнению Пуассона

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

для одномерного случая Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Если в КЯ находятся и свободные и связанные (фиксированные) заряды rсв и rсвяз, то

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

отсюда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Тогда, считая для простоты Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., можно записать:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Пусть граничными условиями будут:

1.  при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.;

2.  при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

тогда, так как

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – приращение потенциала, то

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Это выражение можно преобразовать

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – суммарное поле внутри КЯ. Это легко связать с поверхностной плотностью s* зарядов обоих типов Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

В то же время Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. учтя это, можно получить

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Поведение Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. можно оценить по ее производной. Пусть Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

При этом МЖ должна быть нейтральной. Пусть полный заряд Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. по модулю.

Но тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Т. к. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., где v – объем КЯ и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., S – площадь, то Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., т. к. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., а Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Это линейная функция, где C¢ имеет смысл удельной электропроводности s. Следовательно, если ток протекает, то он должен подчиняться закону Ома (см. рис.).

Перенос электрического заряда в КЯ при пропускании электрического тока

Прохождение тока через КЯ как механизм кинетический (наличие градиента, определяющего перенос градиента потенциала Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) не может быть ясен без детального изучения участников переноса и их характеристик – заряда, подвижности, концентрации. Хоты МЖ должна быть в идеале изолятором, она содержит некоторое количество ионов остаточных атомов технологического процесса. Размеры, форма и концентрация диспергированных магнитных частиц в МЖ, их электрическая оболочка и среда, в которой они взвешены, каждая по своему влияют на электрофизические характеристики МЖ и на ее проводимость в целом.

Поставленные соответствующим образом эксперименты посвящены выяснению роли магнитных частиц в процессе протекания тока через МЖ.

Носителями заряда частицы становятся в случае адсорбции или деадсорбции на их электрической оболочке ионов обоих знаков атомов технологического процесса, в том числе и остаточных. Их дрейф в ЭП описывается следующим динамическим уравнением движения:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Это движение считается установившимся и поэтому Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и в проекции на направление скорости дрейфа имеем:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Fс – стоксово сопротивление сферической частицы радиуса r в среде с вязкостью h. Подвижность этих носителей равна

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – скорость дрейфа магнитной частицы, E – напряженность ЭП.

Чем больше заряд и чем меньше размеры частицы и вязкость среды, тем больше подвижность и наоборот. Концентрация магнитных частиц, обладающих электрическим зарядом, зависит от соответствующей дисперсной фазы и является равновесной величиной, характерной для каждого состояния. Магнитные частицы могут быть увлечены силами вязкого трения даже, если не имеют электрического заряда и, поэтому, не подвержены действию кулоновских сил. Это их взаимодействие с немагнитными носителями тока приводит к значительному уменьшению подвижностей ионов и комплексов.

III.2. Влияние электрического поля на подвижность МЖ

Рассмотрим влияние приложения кулоновского поля на подвижность носителей заряда.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – кулоновские силы, создаваемые полем Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – сила сопротивления.

Носитель массой m и зарядом q обладает скоростью дрейфа Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Тогда для динамического уравнения движения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. имеем

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Пусть Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – коэффициент сопротивления.

Тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., т. к. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. сонаправлены и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., то

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Обозначим Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., тогда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Это дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами, линейное, неоднородное. Его решение получится из решения соответствующего однородного уравнения:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Решение этого уравнения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

считая Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. неизвестным и дифференцируя по времени t, получим

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Поставив это в неоднородное уравнение, получим

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Тогда Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Так как подвижность определяется по скорости дрейфа, то

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Следовательно, m от напряженности поля не должно зависеть.

III.3. Влияние МП на подвижность носителей в МЖ

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рассмотрим влияние МП на концентрацию и подвижность носителей

Динамическое уравнение движения в этом случае

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – сила Лоренца.

Скорость дрейфа Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. имеет направление Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., если нет МП Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. В этом случае составляющие скорости, вообще говоря, ненулевые.

Представим уравнение движения в декартовых координатах. Выберем направление осей как это показано на рисунке, учитывая, что Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Представим уравнение движения следующим образом:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

при данном выборе осей Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Сила Лоренца

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

При данном выборе осей

С помощью ранее разработанной методики была снята ВАХ для МЖ. Исследована зависимость ВАХ от темпа нагружения КЯ ( скорости изменения величины подаваемого напряжения )

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. .

Получены следующие результаты :

1.   ВАХ МЖ имеет вид замкнутой кривой (сильно втянутый овал), расположенной в первом и третьем квадрантах координатной плоскости.

2.   Наблюдалась прямая зависимость между скоростью изменения напряжения и формой петли ВАХ ( см. рис. IV.1.3), при этом угол наклона ( т. е. сопротивление МЖ не меняется.

3.   При увеличении подаваемого напряжения (Um) угол наклона петли не менялся, изменялась форма петли, увеличивалась её площадь (см. рис. 4.1.4). Все измерения проводились при комнатной температуре Т=294 К.

4.   I0 - ток соответствующий U=0 на ВАХ - остаточный ток.

U0 - напряжение, при котором I=0 на ВАХ - запирающее напряжение.

Построены зависимости:

- I0(U*) при Um = const (рис. IV.1.5)

- I0(Um) при U* = const (рис. IV.1.6)

- U0(U*) при Um = const (рис. IV.1.7)

- U0(Um) при U* = const (рис. IV.1 8)

Данные занесены в таблицу 1.

5.   По ВАХ была вычислена удельная электропроводность МЖ:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., и построена зависимость Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.при Um = const (рис. IV.1.9) и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.при U* = const (рис. IV.1.10)

Были сделаны следующие выводы:

1.   Конечная часть ВАХ указывает на нарушение закона Ома.

2.   Большая полуось эллипса зависит от U*. Чем больше U*, тем меньше большая полуось. Чем больше U* , тем больше I0.

3.   I0 увеличивается с ростом Um.

4.   Чем больше U* , тем больше напряжение деполяризации U0 и I0.

5.   С ростом Um увеличивается U0, т. е. поляризационные эффекты возрастают с ростом Um.

6.   ВАХ имеет линейный участок (для s); значение s от U* не зависит.

7.   Площадь S, ограниченная кривой ВАХ, характеризует потери на переориентацию дрейфа; эта площадь зависит от U* : чем больше темп, тем больше S.

Таблица 1.

Зависимость ВАХ от величины напряжения подаваемого на ячейку (Um)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

--------------------------------------------------
Период вращения: 45 с. | 18 с. | 2,5 с. |
---------------------------------------------------------

Um, В

|

2

|

6

|

8

|

10

|

2

|

6

|

8

|

10

|

2

|

6

|

8

|

  |
---------------------------------------------------------

Rx

|

140 кОм

|

140 кОм

|

1 МОм

|

1 МОм

| | | | | | | |

  |
---------------------------------------------------------

U*

|

0,17

|

0,53

|

0,71

|

0,88

|

0,4

|

1,3

|

1,7

|

2,2

|

3,2

|

9,6

|

12,8

|

  |
---------------------------------------------------------

Iоб

´10-7 А

|

4,19

|

2,33

|

5,81

|

5,58

|

9,53

|

17,91

|

16,28

|

15,58

|

9,53

|

18,4

|

16,98

|

  |
---------------------------------------------------------

I0,<

Здесь опубликована для ознакомления часть дипломной работы "Влияние температуры и магнитного поля на электрическую проводимость и аккумуляцию энергии в кондуктометрической ячейке с магнитной жидкостью". Эта работа найдена в открытых источниках Интернет. А это значит, что если попытаться её защитить, то она 100% не пройдёт проверку российских ВУЗов на плагиат и её не примет ваш руководитель дипломной работы!
Если у вас нет возможности самостоятельно написать дипломную - закажите её написание опытному автору»


Просмотров: 481

Другие дипломные работы по специальности "Физика":

Электроснабжение завода продольно-строгальных станков

Смотреть работу >>

Математическое моделирование пластической деформации кристаллов

Смотреть работу >>

Электроснабжение фермы КРС на 800 голов в ОАО "Петелино" Ялуторовского района Тюменской области с обеспечением нормативных условий надежности

Смотреть работу >>

Электроснабжение судоремонтного завода

Смотреть работу >>

Повышение надежности электроснабжения потребителей н. п. Орлово Армизонского района Тюменской области с выбором оборудования на ПС 110/10 кВ "Орлово"

Смотреть работу >>