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

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)

2. Влияние температуры на ВАХ МЖ.

МЖ в КЯ нагревалась до следующих температур : 294К, 305К, 315К.

Напряжение питания Um=5В.

Получены следующие результаты:

1.   Угол наклона кривой не меняется .

2.   Меняется, но незначительно, форма петли (рис. IV.1.11).

Были построены следующие зависимости:

U0(T) при U* = const (рис. IV.1.12)

I0(T) при U* = const (рис. IV.1.13)

s(T) при U* = const (рис. IV.1.14).

Данные занесены в таблицу 2.

Влияние температуры на ВАХ МЖ оказалось сложным, не трактуемым однозначно. Можно говорить лишь о качественных изменениях:

 U0 с ростом температуры увеличивается незначительно.

 I0 с ростом температуры увеличивается незначительно.

s с ростом температуры монотонно возрастает.

Таблица 2. Зависимость ВАХ от температуры.

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

Аккумуляция электрического заряда

Рис. IV. 3. 1

Восходящую ветвь кривой разряда (рис. IV.3.6) следует отнести на счет времени срабатывания прибора и ГП. Поэтому можно считать ток разряда может быть аппроксимирован  по закону , где характерные для МЖ.

Граничные условия не противоречат экспериментальному виду кривой разряда: при t=0 I=I0 , при t=¥  I=0, что соответствует поведению экспериментального хода кривой Ic c учетом последующей экстраполяции этого хода к t=0.

Прологарифмируем

, 

I0 , a могут быть определены или методом наименьших квадратов с оценкой погрешности аппроксимации, или по графику  сглаженному к прямой.

Очевидно, что

0,43 - модуль перехода от натуральных логарифмов к десятичным;

2,3 - модуль перехода от десятичных логарифмов к натуральным.

Определение электрофизических параметров МЖ по разрядной характеристике

Эксперимент поводился с плоскопараллельной ячейкой, которая имеет параметры:

глубина ячейки h= 0,8 мм; диаметр ячейки 28,1 мм; электроды медные.

На ячейку подавалось напряжение 5В в течение 15 сек., затем ячейка разряжалась на ГП. В результате была получена следующая зависимость тока разряда от времени  (см. Рис. IV.3.4.). так как  ГП регистрирует изменение напряжения , то нужно произвести пересчет полученных результатов в единицы силы тока.

Известно, что внутреннее сопротивление ГП равно 0,93 МОм, тогда коэффициент пересчета равен

Тогда из графика имеем, что максимальное значение разрядного тока Im p соответствующее разности потенциалов U0= 0,169В равно I= 18,64×10-8 А. При этом разряд МЖ происходит по экспоненциальному закону  , где t - постоянная времени разряда или время электрической релаксации дрейфа.

Время электрической релаксации дрейфа t - промежуток времени, за который ток заряда уменьшится в e раз. Его значение  можно определить по графику. В данном случае t= 35 с.

Количество электричества, стекающего с электродов  на нагрузку, можно определить следующим образом

По определению электрической ёмкости

тогда из t=RC можно определить электрическое сопротивление МЖ.

проводимость можно найти как величину обратную сопротивлению

Энергию, аккумулированную в ячейке с МЖ, найдем по формуле

Число носителей, участвующих в переносе заряда можно определить следующим образом .

пусть все носители однозарядны, тогда их полное число равно

Исходя из того, что МЖ нейтральная, числа N+ и N - и концентрация n+ и n - должны быть равны: N+= N - и n+= n-. Заряды обоих знаков движутся в противоположные стороны, это равносильно тому, что полное число ионов одного знака при том же заряде равно 2N . Тогда , где q = e заряд иона (e=1,6×10—19 Кл).

Концентрацию носителей найдём по формуле:

,                                                           (8)

 - объём КЯ ,  - площадь КЯ.

Подставив числовые значения , найдём

,

Подвижность носителей заряда определим исходя из следующих рассуждений.

Подвижность иона  , где v - скорость дрейфа , E - напряженность электрического поля. Связь напряженности и потенциала поля определяется соотношением

                                (9)

подвижность можно определить по плотности тока, т. к. известно, что

                                   (10)

q - заряд носителя

n - концентрация

m - подвижность

E - напряженность электрического поля.

Предположим, что q+ =q -=q, n+ =n -=n  и m+=m -=m, тогда плотность тока

Из (10) имеем, что , или

Тогда подвижность

                                           (11)  

 r - среднее удельное сопротивление, которое можно найти, т. к. Известно сопротивление МЖ и геометрические размеры КЯ.

произведя соответствующие расчеты, получим

Значение подвижности, найденное таким образом, является оценочным, т.к. в МЖ имеется несколько типов носителей заряда: ионы, комплексы молекул-ионов и заряженные частицы магнетита.

Поскольку

С другой стороны , если считать, что q =const, n0 =const, m0=const, что возможно при неизменных условиях t = const, E=0, то

- напряженность внутреннего поля.

Таким образом, внутреннее электрическое поле , образованное  рассредоточенными электрофорезом носителями заряда, изменяется как и ток по экспоненциальному закону.

Проведенные исследования показывают, что

*         КЯ с МЖ не является простым конденсатором;

*         в ячейке с аккумулируется заряд;

*         процесс аккумуляции заряда связан со специфичностью МЖ.

К основным специфическим свойствам  МЖ относятся:

        текучесть;

       наличие массивных малоподвижных носителей заряда;

       сильные вязкостные и электромагнитные взаимодействия;

       большое время t заполнителя (МЖ).

ОЦЕНИМ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ.

При определении величины заряда, накопляемого МЖ в КЯ применялась формула

в которой I0 и t были найдены экспериментально с помощью ГП.

Известно, что

Прологарифмируем полученное выражение

тогда относительная погрешность при определении заряда будет равна

где  - относительная погрешность в определении силы тока,

- относительная погрешность в определении времени.

При определении концентрации использовалась формула

Относительная погрешность в данном случае

Глубина и диаметр ячейки измерялись штангенциркулем  с ценой деления 0,1 мм. Абсолютная погрешность измерений составила , тогда относительные погрешности при определении глубины  h и   диаметра  d будут равны соответственно

тогда .

При определении подвижности применялась формула

тогда относительная погрешность

т.к. , то

относительная погрешность при определении сопротивления  известна из инструкции моста, которым было измерено сопротивление.

Таким образом,.

Исследование разрядной характеристики МЖ.

Для исследований применялась схема (рис. IV.3.5).

ИП- источник питания ИЭПП-2;

КЯ - кондуктометрическая ячейка

ДП - двухполюсный переключатель;

ГП - графопостроитель.

В положении 1 переключателя ДП от источника питания через ячейку  в течение времени заряда tз пропускается ток. Затем ДП переводился в положение 2. При этом  через ГП при отсутствии источника питания по цепи течет ток разряда, начинающийся с пикового значения  Im p и достигающий нуля через несколько секунд по кривой, напоминающей кривую разряда конденсатора. В записи кривая имеет вид показанный на рис. IV.3.6.

Эксперимент проводился в следующих направлениях. Исследовалось:

1)  влияние продолжительности заряда (tз ) при заданном  Uз на максимум величины Um p , достигнутый при заряде;

2)  влияние величины зарядного напряжения  Uз на Im p;

3)  влияние времени саморазряда ячейки на ход кривой;

4)  влияние температуры на процесс заряда и последующего разряда (на t и    Im p);

5)  влияние температуры на саморазряд и последующий разряд на внешнюю нагрузку (на t, tср, Im p);

6)  сопоставление кривых разряда с кривыми саморазряда.

Были получены следующие результаты.

1. Влияние продолжительности заряда при заданном Uз на максимум величины Um p.

Для МЖ установлено, что «насыщение» получаемого остаточного напряжения на КЯ практически завершается к концу 4-й секунды. Возникает вопрос о возможностях данной жидкости к накоплению остаточного заряда . Была поставлена серия экспериментов. На КЯ, заполненную то же МЖ, подавались разные напряжения  и осуществлялся заряд КЯ в течение какого-то времени, достаточного для достижения насыщения. Была построена кривая, показывающая, что увеличение продолжительности заряда не увеличивает пикового значения Um p . Выяснили,   что при увеличении Uз , Um p увеличивается , но не достигает значения Uз. Так при Uз=13В, Um p=0,138В, т.е. Um p<<Uз.

2. Влияние величины зарядного напряжения  на Im p.

При увеличении Uз увеличивается площадь под кривой (рис. IV.3.7). Т.е. увеличивается количество электричества, накопленного ячейкой, что очевидно. Из эксперимента были вычислены следующие параметры: Q, t, R.

Все данные приведены в  таблице 3.

Были построены зависимости:

t(Uз) - рис. IV.3.8

Q(Uз) - рис. IV.3.9

С ростом Uз увеличивается время t, с которым можно связать время релаксации, но считать их равными нельзя.

Таблица 3.

Влияние величины заряжающего напряжения на Im p.

tзар = 60 сек.

3.
Влияние времени саморазряда ячейки на ход кривой.

В течение времени tзар = 60 с. Ячейка заряжалась Uзар=8В (5В, 13В). затем ячейка отключалась от источника питания и в течение tср разряжалась сама на себя. По истечении времени tср ячейка включалась в цепь и разряжалась на ГП - снималась остаточная разрядная характеристика.

Было выяснено, что при увеличении tср   Im p уменьшалось (рис. IV.3 10).

Определены параметры t, Q, R, Um p, которые занесены в таблицу 4.

Были построены зависимости:

t( tср) - рис. IV.3.11

Q(tср) - рис. IV.3.12

Um p(tср) - рис. IV.3.13

Можно сделать следующие выводы:

1)  с ростом tср t незначительно увеличивается;

2)  с ростом tср Q уменьшается по линейному закону;

3)  с ростом tср Um p уменьшается по экспоненте.

Таблица 4. Зависимость разрядного тока от времени саморазряда

Uзар=8В, tзар=1 мин.

4. Жидкость исследовалась при температурах

294 К, 305 К, 315 К, 325 К. 

Получены такие результаты:

1. при увеличении .  уменьшается, уменьшаемая площадь под кривой разрядного тока (рис. IV.4.1)

2. при увеличении температуры КЯ быстрее разряжается, т.е. уменьшается время .

Вычислены параметры , , , которые занесены в таблицу 5

Построены зависимости:  - рис. IV.4.4,  - рис. IV.4.5

Количество электричества с ростом температуры убывает.

Таблица 5. Влияние температуры на разряд МЖ в КЯ tcр. = 0 с.

5. Влияние температуры на время саморазряда КЯ

Была заполнена таблица 6.

Построены зависимости

 рис. IV.4.6

 рис. IV.4.7

 С увеличением температуры ячейка накапливает меньший заряд; накопленный заряд быстрее стекает с КЯ при увеличении температуры ; время  с ростом температуры убывает по ниспадающей кривой довольно быстро. Подобное поведение МЖ говорит о том, что с ростом температуры МЖ ее подвижность увеличивается, вязкость уменьшается и уменьшается разность потенциалов между электродами ячейки. Количество накопленного электричества с ростом температуры уменьшается и слабо зависит от

Таблица 6. Саморазряд при разных температурах 

6. Проведено сопоставление кривых разряда и саморазряда.

С большой степенью точности времена  для всех кривых остаточного саморазряда совпадают Учет.  при  наложении max значений токов остаточного разряда на кривую полного разряда позволяет провести сопоставление механизмов разряда и саморазряда на внешнее сопротивление. Из рис.  IV.4.7 видно, что все точки max значений токов остаточного разряда удовлетворительно ложатся на кривую разряда, не подвергшегося саморазряду. Это можно понимать как совпадение механизм разряда и саморазряда, т.е. механизм последнего также является диффузионным.

IV.
5 Влияние МП на проводимость МЖ

Допустим, что на проводимость (сопротивление) МЖ должно действовать МП, т.к. МЖ является жидкостью намагничивающейся. Элементарными структурами, обеспечивающими это свойство являются магнитные диполи, обладающие электрическим зарядом, носителями которых являются диспергированные частицы магнетика . Но для этого диполи должны участвовать в проводимости, а это возможно, если они имеют электр. заряд. Т.к. на диполи действие МП далеко, то двояко и действие МП на сопротивление, причем можно ожидать, что обе компоненты движения диполя изменяется. И его поступательная компонента эффективнее подействует на подвижность, т.к. вращательная часть непродолжительна. Вращение возникает и в ОМП и в ИМП, а поступательное возможно только в ИМП.

Проверить влияние ИМП на проводимость МЖ можно следующим образом.

1. Измерение сопротивления мостом вначале вне поля, а затем в ИМП и результаты сравнить. Опыт показал отсутствие расхождения

2. Подать на ячейку напряжение и записывать графопостроителем.

Т.к. R = const, то графопостроитель вычерчивает прямую линию, параллельную оси абсцисс.

3. Проверить влияние ИМП на ток разрядки при аккумуляции заряда в КЯ с МЖ.

Были получены следующие результаты

2. На всем протяжении ВАХ поперечное МП (рис. ) не оказывает замешенного действия на дрейф носителей. Это может означать, что при использованных полях и сравнительно малых скоростях сила Лоренца , действующая компланарно, т.е. параллельно электродом, не отвлекает даже частицы носителей из потока, ввиду сравнительно большого сечения S ячейки. Продолженное поле совсем не действует на носители, т.к.

т.к. .

Заменить в нашей методике влияние МП на ток через воздействие на магнитные диполи можно, если:

а) магнитные диполи обладают зарядом;

б) МП параллельно скорости ;

в) МП неоднородно, а градиент индукции также параллелен или антипараллелен скорости (, см. рис.)

В эксперименте прямого действия МП на ток через МЖ не обнаружено

3. Если КЯ с МЖ поместить в ИМП так, что , а  и ,  но между электродами возникает разность потенциалов. Это можно объяснить так: магнитные диполи, помещенные в ИМП, вмешивающееся в область сильного поля, т.к. они предварительно развернулись по полю. Если на их оболочках есть нескомпенсированные заряды электричества, то в КЯ возникает неравновесность эл.заряда с градиентом потенциала , связям  с , где  - поле, обусловленное магнитофорезом, а  - объемная плотность электрического заряда.

Во время опыта постоянный магнит либо подносился под КЯ, либо ставился сверху. При этом ячейка должна быть выключена. Перед разрядом магнит медленно убирается на достаточное расстояние, а затем КЯ включается на нагрузку.

1) Прежде всего было установлено, что величина  сильно зависит от времени выдержки ячейки в поле, но четкой закономерности замечено не было (рис. 10, 11)

2) размерность разрядного тока независимо от направления индукции МП в ячейке не менялась.

Все полученные результаты привели к выводу:

1. Разрядный ток КЯ, заряженной под действием ИМП аналогичен разрядному току после пропускания через КЯ постоянного тока.

2. Направление разрядного тока КЯ, заряженной ИМП не зависит от направления ИМП.

Обобщая результаты, можно сказать, что МП не влияет на аккумуляцию заряда в КЯ, т.к. возможно, что МЖ не содержит магнитных диполей, обладающих нескомпенсированным зарядом, либо их концентрация мала.

Заключение

1. 1. Подтвердилась зависимость формы ВАХ от темпа нагружения ячейки при постоянном напряжении питания: чем больше , тем меньше большая полуось ВАХ

        и определена независимость  от  (при ).

2. Не подтвердилась зависимость формы ВАХ от температуры;

    и определена  - с ростом температуры  растет.

3. Зависимость от () следующая: чем больше , тем больше

 от (): чем больше , тем больше .

4. Зависимость ,  от  оказалось следующая: , увеличивается с ростом температуры незначительно.

2. Исследована зависимость аккумуляции заряда в КЯ от зарядного напряжения и времени саморазряда

1. Подтвердилась зависимость аккумулированного электрического заряда от : чем больше , тем больший заряд накапливается в ячейке.

2. исследован ход саморазряда и определен его механизм в зависимости от времени саморазряда.

3. Сопоставлено пиковое значение тока саморазряда с ходом разряда КЯ на нагрузку.

3. Исследована аккумуляция заряда при изменении температуры

1. Сопоставлены кривые  при различных Т () с кривой  при комнатной температуре: с ростом температуры  уменьшается, ячейка быстрее разряжается.

4. Действие МП на ВАХ и аккумуляцию:

1. действие однородного МП в пределах 0 - 0,4 Тл не было обнаружено

2. действие неоднородного МП в пределах 0 - 0,15 Тл не было обнаружено.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Актинов А.А. и др. О стойкости магнитных жидкостей к воздействию повышенных температур /Физико-химические и прикладные проблемы МЖ: сборник научных трудов/ Ставрополь, СГУ 1997 г.

2.  Зубко В.И. и др. Влияние условий получения МЖ на ее электрофизические свойства /Физико-химические и прикладные проблемы МЖ: сборник научных трудов/ Ставрополь, СГУ 1997 г.

3.  Кожевников В.М. Анизатрония электропроводности дисперсных линейных систем, наведенная внешним воздействием /Физико-химические и прикладные проблемы МЖ: сборник научных трудов/ Ставрополь, СГУ 1997 г.

4.  Арцимович А.А. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. - М.: Наука, 1972.

5.  Бронштейн И.И. Справочник по высшей математике. - М.: Физматгиз, 1981.

6.  Дзаразова Т.П. Практическая физика.: Учебное пособие. - Ставрополь СГПУ, 1994г.

7.  Калашников С.Т. Электричество. - М.: Наука, 1977 г.

8.  Основные формулы физики под ред. Мензела Д.М.: ИЛИ, 1957г.

9.  Полихрониди И.Т. Электро- и магнитополевая аккумуляция электрического заряда в ячейке с МЖ. Проблемы физико-математических наук: Материалы XLIII научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука-региону». - Ставрополь: СГУ, 1998 г.

10. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.3. Электричество. - М.: Наука, 1977 г.

11. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1976 г.

12. Фершман В.Е. Магнитные жидкости. Минск «Высшая школа», 1998.

13. Чеканов В.В. и др. Накопление заряда в электрофоренич. ячейке с МЖ. Проблемы физико-математических наук: Материалы XLIII научно-методической конференции преподавателей и студентов «Университетская наука-региону». - Ставрополь: СГУ, 1998 г.