Лабораторная работа: Капиллярные явления в магнитных коллоидах

Если жидкость смачивает стенки капилляра, угол θ острый, соответственно cosθ, а следовательно, и h положительны (жидкость поднимается в капилляре). Если жидкость не смачивает стенки капилляра, угол θ тупой, соответственно cosθ, а значит, и h отрицательны (жидкость опускается в капилляре).

Капиллярностью объясняются многие явления, например впитывание жидкостей промокательной бумагой и тканями (полотенцами), поднятие керосина по фитилю, подъем грунтовых вод в почве и др.

Вопросам исследования гидростатики магнитных жидкостей, межфазных свойств поверхности, расчетам величины пондеромоторных сил, действующих в намагничивающихся жидких средах, посвящено большое количество работ как практического, так и теоретического плана. Особый интерес представляет исследование капиллярных явлений, когда в роли жидкой среды выступает магнитная жидкость. Рассмотрим особенности капиллярных процессов магнитной жидкости, как в магнитном поле, так и при совместном действии магнитного и электрического полей.

Первоначально были исследованы особенности подъема магнитной жидкости в капиллярах круглого сечения в неоднородном магнитном поле. В этом случае, нижний конец вертикально установленного капилляра приводился в соприкосновение со свободной поверхностью магнитной жидкости, налитой в плоскую кювету, расположенную на торце катушки с ферромагнитным сердечником. Созданное катушкой неоднородное магнитное поле направлено вдоль оси капилляра, а вертикальная составляющая его градиента в области расположения капилляра составляла 0,092 Тл/м. Исследования проводились для капилляров с различным диаметром, измерение которых осуществлялось с помощью оптического микроскопа с погрешностью, не превышающей 0,01 мм. Оказалось, что высота капиллярного подъема магнитной жидкости может быть, как уменьшена, так и увеличена путем воздействия одного и того же неоднородного магнитного поля в зависимости от диаметра капилляра. Так для капилляров достаточно малого диаметра (< 0,5 мм) наблюдалось уменьшение высоты подъема жидкости при увеличении тока в катушке, тогда как для капилляров с диаметром не превышающем 0,9 мм, напротив действие поля приводит к повышению уровня магнитной жидкости в капилляре. Очевидно, аномальное явление подъема магнитной жидкости в капилляре при воздействии неоднородного магнитного поля связано с развитием неустойчивости поверхности жидкости в капилляре с достаточно большим диаметром. При уменьшении диаметра капилляра, начиная с некоторого его критического значения неустойчивость, не возникает и наблюдается понижение уровня жидкости в капилляре за счет действия магнитной пондеромоторной силы, направленной в сторону возрастания поля (к нижнему концу капилляра). Далее были исследованы особенности капиллярного подъема магнитной жидкости в однородном электрическом поле. Как известно, включение электрического поля должно приводить к повышению уровня жидкости в капилляре за счет действия пондеромоторных сил, стремящихся втянуть диэлектрическую жидкость в капилляр, представляющий по существу плоский конденсатор. Однако оказалось, что существенного повышения уровня жидкости при подаче на стенки капилляра постоянного напряжения не наблюдается. Это связано с наличием в магнитной жидкости носителей свободного заряда (ионов примесей, заряженных частиц), благодаря чему магнитная жидкость обретает слабую электрическую проводимость (10^-6 См/м). В результате действия электрического поля между стенками капилляра возникает электрический ток, а у их внутренних поверхностей происходит накапливание свободного заряда, поле которого направлено противоположно внешнему электрическому полю. При достаточно большой напряженности поля между проводящими стенками капилляра могут возникать электрогидродинамические течения. Поэтому, в дальнейших исследованиях будем использовать переменное электрическое поле.

Экспериментальная установка

Применяемая в данной работе установка состоит из плоского стеклянного капилляра (на внутренние стороны стенок которого нанесено токопроводящее покрытие) с прямоугольным сечением, который располагается так, что его нижний конец касается свободной поверхности магнитной жидкости в кювете. Для создания переменного электрического поля на стенки капилляра подается переменное напряжение от генератора звуковой частоты. Неоднородное постоянное магнитное поле создается с помощью катушки, на которую подается ток с источника тока В-24. Для более точного определения величины силы тока в катушке, последовательно к ней подключается амперметр.

Проведение эксперимента

Для исследования особенностей капиллярного подъема магнитной жидкости в переменном электрическом поле используются плоские стеклянные капилляры с прямоугольным сечением, с размерами ( х х )м, ( х х )м и ( х х )м. Для этого на стенки капилляра (на внутренние стороны которых нанесено токопроводящее покрытие) подавалось переменное напряжение от генератора звуковой частоты, который обеспечивает плавную регулировку амплитуды выходного переменного напряжения, а коэффициент нелинейных искажений при формировании выходного напряжения синусоидальной формы не превышает 2%. Капилляр располагается так, что его нижний конец касается свободной поверхности магнитной жидкости в кювете, благодаря чему жидкость за счет капиллярных сил поднимается на некоторую высоту. Подъем магнитной жидкости вдоль оси капилляра измеряется с помощью шкалы или линейки.

Задание №1

Исследование зависимости высоты капиллярного подъема магнитной жидкости от частоты подаваемого на ячейку переменного электрического поля.

1. Собрать установку по схеме:

2. Магнитную жидкость залить в кювету, капилляр расположить так, чтобы его нижний конец касался свободной поверхности магнитной жидкости в кювете. Жидкость поднимется до определенного уровня.

3. Затем на капилляр подать ток.

4. С выбранным шагом увеличивать частоту подаваемого на ячейку электрического поля, измеряя высоту капиллярного подъема жидкости при каждом значении. Измерения проводить, пока МЖ в капилляре не остановится.

5. Полученные данные занести в таблицу:

U=...В

ν,Гц

h,мм

6. Повторить эти измерения при различных величинах напряжения электрического поля U.

7. Построить графики зависимости h(ν).

8. Сделать вывод.

Задание №2

Исследование зависимости высоты капиллярного подъема магнитной жидкости от амплитудного значения напряженности переменного электрического поля.

1. Выполнить 1-3 из задания №1.

2. Увеличивать напряжение, подаваемое на стенки капилляра, с шагом 1В, измеряя высоту капиллярного подъема жидкости при каждом значении.

3. Полученные данные занести в таблицу:

ν =…Гц

U,В

h,мм

4. Повторить измерения при различных значениях частоты электрического поля ν.

5. Построить графики зависимости h от амплитудного значения напряженности однородного переменного электрического поля Е.

6. Сделать вывод.

Задание №3.

Изучение особенностей совместного воздействия на капиллярные процессы магнитного и электрического полей.

Величину высоты подъема магнитной жидкости в капилляре (за счет действия переменного электрического поля) можно компенсировать дополнительным включением неоднородного постоянного магнитного поля.