Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=145 Дата изменения: Fri May 5 15:25:49 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:32:49 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: universe

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ДЕТЕЙ «ЦЕНТР ТВОРЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ И ГУМАНИТАРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОДАРЕННЫХ
ДЕТЕЙ «ПОИСК»»















ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С
МЕЛКОДИСПЕРСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.








Выполнил учащийся 11 класса ФМО
Гудимчук Никита
Email: euglena_green@mail.ru
Научный руководитель доктор физ-
мат.наук Диканский Ю.И.











г. Ставрополь



Высокодисперсные коллоиды ферро - и ферримагнетиков, синтезированные в
середине 60-х годов и получившие название «магнитные жидкости» (МЖ), до
настоящего времени остаются объектом, привлекающим широкий интерес
исследователей явлений, связанных с взаимодействием электромагнитного поля
со средой. Это объясняется как возможностью практического применения МЖ в
машиностроении, приборостроении и медицине, так и возникновением целого
ряда фундаментальных проблем физического, физико-химического и
гидродинамического характера. К ним следует отнести изучение физико-
химических и теплофизических свойств коллоидных систем, описание новых
физических явлений, возникающих в магнитной жидкости под действием
магнитного поля. Наблюдающиеся в МЖ термомагнитные эффекты во многом
определяется свойствами малых частиц, их гранулометрическим составом,
диполь-дипольным взаимодействием и связанным с ним структурным состоянием
системы.
Кроме самих магнитных жидкостей интересными свойствами обладают также
среды созданные на их основе. Так введение в магнитные жидкости
мелкодисперсного немагнитного наполнителя приводит к возникновению в них
анизотропии различных свойств [1] - структурных, электрических,
реологических и др.
Целью настоящей работы явилось исследование теплопроводность магнитных
жидкостей с графитовой и алмазной пылью в качестве наполнителя при
воздействии постоянного магнитного поля.
При воздействии на магнитную жидкость с мелкодисперсным немагнитным
наполнителем магнитного поля, вследствие намагничивания магнитной жидкости,
омывающей немагнитные частицы, последние приобретают дипольные моменты,
направленные против внешнего поля [2]. Наличие индуцированных магнитных
моментов у частиц приводит к их взаимодействию и объединению в цепочечные
структуры, т.е. к созданию структурной анизотропии. Так как
теплопроводность включений значительно превосходит теплопроводность
магнитной жидкости, то процессы их структурообразования[pic] должны
приводить к изменению теплопроводности всей среды. Действительно, как
следует из работы [3] при совпадении направления теплового потока с
направлением внешнего магнитного поля, для теплопроводности такой жидкости
можно получить:
[pic] , (1)
Здесь (а, (ж - коэффициенты теплопроводности частицы и жидкости, nz -
коэффициент деполяризации, (а - объемная концентрация частиц.

Коэффициент деполяризации [4]определяется выражением:
[pic], (2)

где r =[pic] - отношение длины к диаметру стержня.
Увеличение магнитного поля приводит к удлинению агрегатов, и, как
следствие, уменьшению деполяризующего фактора. Следовательно, с увеличением
напряженности магнитного поля, совпадающего с градиентом температуры,
должен наблюдаться рост коэффициента теплопроводности, обусловленный
увеличением длины цепочечных агрегатов.
С целью подтверждения этого вывода были проведены экспериментальные
исследования коэффициента теплопроводности композиционной магнитной
жидкости с мелкодисперсным графитовым наполнителем. При этом объемная
концентрация графитовых частиц составляла 21 %.
В ходе исследования появилась необходимость сконструировать установку
по определению коэффициента теплопроводности, в связи с чем было
целесообразно рассмотреть различные методы измерений с целью остановиться
на наиболее приемлемом варианте для нашего случая.
Существующая схема классификации [5] разделяет все способы измерения
теплопроводности на два больших класса: стационарных и нестационарных
методов. В классе стационарных методов производится разграничение по типу
симметрии поля температур в исследуемой среде (плоские, цилиндрические и
сферические изотермы). Нестационарные методы систематизируются в основном
по характеру изменения температуры во времени и уже затем по типу симметрии
температурного поля.
Наряду с таким способом классификации методов существует еще и
разделение на абсолютные и относительные методы, но несмотря на это, каждый
конкретный метод может быть осуществлен как в абсолютном, так и
относительном варианте.
Использование относительных методов измерения теплопроводности в
большинстве случаев позволяет сильно упростить как саму экспериментальную
установку, так и процесс измерений. Это оказывается возможным благодаря
тому, что в измерениях относительного характера можно не определять
непосредственно величину теплового потока сквозь образец, в силу чего
отпадает необходимость принимать специальные меры к уменьшению утечек тепла
от нагревателя. Тем самым значительно уменьшается одна из основных
трудностей организации эксперимента по исследованию теплопроводности.
Главным плюсом относительной методики в сравнении с абсолютной
является то, что здесь нет необходимости непосредственно измерять поток
тепла, в связи с чем не нужно теплоизолировать свободные поверхности
нагревателей. Конструкция установки становится более простой, упрощаются и
сами измерения.
Одним из основных методов относительных стационарных измерений
является метод плоского слоя, преимущество которого состоит в том, что
используемая конфигурация системы наиболее благоприятствует подавлению
конвекции, которая в свою очередь является источником самых больших
погрешностей при измерении теплопроводности. Для жидкостей с положительным
коэффициентом теплового расширения при нагреве сверху конвекция в принципе
вообще не должна возникать при отсутствии радиальных градиентов
температуры. Тем не менее, в этом случае целесообразно использование
относительно тонких слоев жидкости: от долей миллиметра до нескольких
миллиметров, так как в противном случае сильно затрудняется задача
устранения радиальных потоков тепла, возникает опасность перемешивания за
счет вибраций и увеличивается время установления стационарного состояния.
С учетом всех вышеприведенных преимущества относительного метода
плоского слоя он был выбран в качестве основного метода исследований
теплопроводности композиционной магнитной жидкости.
Была сконструирована экспериментальная установка для измерения
коэффициента теплопроводности жидких сред. Схематически она представлена на
рис.1. Установка состоит из трех круглых пластин из меди (латуни) А, В и C,
толщиной около 1 см и диаметром 10 см. Пластины отделены друг от друга
тонкими прокладками. Нижняя пластина С установлена на металлическом сосуде
М, через который протекает холодная вода постоянной температуры. На верхнюю
пластинку помещен нагреватель E - металлический сосуд, через который с
помощью термостата прокачивается горячая вода заданной температуры. Таким
образом удается добиться стационарности температурного поля.

[pic]
Рис.1. Экспериментальная установка для измерения коэффициента
теплопроводности магнитной жидкости в магнитном поле (пояснения в тексте)

В пространство между пластинами B и C вводится при помощи шприца
исследуемая композиционная магнитная жидкость объемом 10,5 мл.
Пространство между пластинами А и B заполняется керосином,
теплопроводность которого известна (?к = 0,137 Вт/мК).
Геометрические размеры установки позволяют получить достаточно тонкие
(порядка 1 мм) слои исследуемых образцов. Этот фактор в совокупности со
строго горизонтальным положением пластин и направлением теплового потока
сверху вниз (что достигается вышеописанным взаиморасположением сосудов М и
Е), позволяет свести к минимуму влияние конвективного теплообмена на
процесс исследования.
Как уже было указано, температуры на поверхностях пластин не
изменяются со временем, поэтому на основании закона Фурье [6] можно
записать для жидкости, заполняющей пространство между пластинами:
[pic] ,
(3)
где Q - тепловой поток, ? - коэффициент теплопроводности жидкости, ? -
толщина слоя жидкости, ? - время прохождения потока, q - плотность
теплового потока.
Отсюда
[pic] (4)
Поскольку в установившемся режиме тепловой поток будет проходить
последовательно через два плоских слоя жидкостей, он создаст в них
градиенты температур, обратно пропорциональные теплопроводностям.
Для вышеуказанных двух слоев (керосин, композиционная МЖ) можно
написать:
[pic] ,
(5)
где ?1 и ?2 - соответственно теплопроводности керосина и композиционной МЖ,
?1 и ?2 - толщина слоев керосина и композиционной МЖ
t1? - t2? - перепад температур в слое керосина,
t1? - t2? - перепад температур в слое композиционной МЖ
Учитывая, что в данной установке слои жидкостей имеют одинаковую толщину,
т.е. ?1 = ?2, из формулы (5) можно выразить искомый коэффициент
теплопроводности исследуемой магнитной жидкости:
[pic]
(6)
Таким образом, задача определения теплопроводности сводится к
нахождению температуры каждой из пластин экспериментальной установки.
До достижения стационарного состояния установка выдерживалась в
установившемся режиме не менее 2 часов, после чего производились измерения.
Пластины были предварительно теплоизолированы, поэтому утечки тепла в
процессе исследования были минимальны, что позволило значительно уменьшить
погрешность измерений. Температуры всех трех пластин измерялись при помощи
термопар, которые были введены внутрь пластин. Каждая из термопар
поочередно при помощи переключателя К соединялась с вольтметром.
Предварительно все термопары были отградуированы так, что можно было по
величине напряжения судить о температуре пластины. С целью определения
зависимости коэффициента теплопроводности от напряженности внешнего
магнитного поля, катушками Гельмгольца создавалось однородное поле, которое
было направлено в одном случае перпендикулярно слою магнитной жидкости
(вдоль градиента температуры), во втором вдоль его поверхности.
Снимались показания приборов при увеличении напряженности магнитного
поля и рассчитывались (( и ((( (индексы ‰ и (( означают соответственно
перпендикулярность и параллельность направлений магнитного поля и градиента
температуры). При этом показания фиксировались не сразу после изменения
величины напряженности магнитного поля, а лишь после достижения системой
нового стационарного состояния (т.е. приблизительно через каждые 30 мин).
Сначала рассматривалось действие магнитного поля вдоль теплового
потока, т. е. рассчитывалось ((( (результаты расчетов и измерений приведены
в таблице 1; см. приложение). Оказалось что, разница между
теплопроводностью без магнитного поля и максимального поля составила 17%.
[pic]
Рис. 2. График зависимости коэффициента теплопроводности МЖ с
мелкодисперсным графитовым наполнителем от напряженности магнитного поля
(кривая 1 - поле направлено параллельно распространению теплового потока,
кривая 2 - поле направлено перпендикулярно распространению теплового
потока)

В дальнейшем были проведены те же измерения, только поле направлялось
перпендикулярно распространению теплового потока и вычислялось ((..
Вычисления приведены в таблице 2 (см. приложение)
Оказалось, что в этом случае, что теплопроводность медленно убывает,
причем, его процентное уменьшение составило 11,5 % . Иллюстрация полученных
экспериментальных результатов зависимости коэффициента теплопроводности от
напряженности магнитного поля представлена на рис.2.
Интересным представилось также рассмотрение особенностей
теплопроводности магнитной жидкости с мелкодисперсным алмазным наполнителем
под воздействием постоянного магнитного поля. Поскольку теплопроводность
алмаза ?а превосходит теплопроводность керосина ?к на 4 порядка (?к = 0,137
Вт/мК, ?а= 5500 Вт/мК) и графита на 1 порядок (?г= 140 Вт/мК), можно
предположить, что зависимость коэффициента теплопроводности МЖ с алмазными
включениями от величины напряженности магнитного поля будет более ярко
выражена, чем в случае с графитом. Чтобы подтвердить этот вывод, были
проведены экспериментальные исследования теплопроводности такой
композиционной жидкости.
Их результаты представлены в таблицах 3, 4 и на рисунке 3.
[pic]
Рис. 3. График зависимости коэффициента теплопроводности МЖ с
мелкодисперсным алмазным наполнителем от напряженности магнитного поля
(кривая 1 - поле направлено параллельно распространению теплового потока,
кривая 2 - поле направлено перпендикулярно распространению теплового
потока)
Оказалось, что МЖ с мелкодисперсным алмазным наполнителем, помещенная
в магнитное поле действительно обладает анизотропией теплопроводности.
Однако разница между теплопроводностью без магнитного поля и при
максимальном поле не превышает 10%. Это, возможно, объясняется тем, что
частицы алмазного наполнителя имели сравнительно крупные размеры и в
результате седиментации образовывали цепочечные агрегаты на дне пластин,
что не вполне соответствует тем условиям опыта, которые планировалось
достигнуть ранее. Кроме того, объемная концентрация включений не превышала
5%.
В связи с этим в настоящее время подготавливаются экспериментальные
исследования МЖ с более мелкими алмазными частицами при увеличении их
объемного содержания.
Полученные экспериментальные результаты позволяют предположить о
возможности создания устройств на основе магнитных жидкостей для
регулирования процессов теплопередачи с помощью магнитного поля.
Библиографический список
1. Фертман В.Е. Магнитные жидкости: Справ. Пособие. - Мн.: Выш. шк., 1988.
- 184 с.
2. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости: Пер. с японск. - М.: Мир,
1993. - 272 с.
3. Демчук С.А, Зальцгендлер В.И., Кордонский В.И., Прохоров И.В., Хусид
Б.М. Теплопроводность магнитореологических суспензий при сдвиговом
течении // Магнит. гидродинамика. - 1985. - ?1. - с. 14-18.
4. Чечерников В.И., Магнитные измерения. - М.: МГУ, 1969
5. Филиппов Л.П., Исследование теплопроводности жидкостей. - М., 1970
6. Цедерберг Н.Ф., Теплопроводность газов и жидкостей. - М.-Л., 1963. - с.
15-19.
7. Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнитные жидкости. - Рига:
Зинатне, 1989. - 386 с.
8. Д.В. Орлова, В.В. Подгоркова Магнитные жидкости в машиностроении. - М.:
Машиностроение, 1993г.
ПРИЛОЖЕНИЕ


Таблица 1

Зависимость теплопроводности ((( МЖ с графитовым наполнителем от
напряженности внешнего магнитного поля

|Пластина|U, мВ |t, 0C |(1, |(2, |Н, кА/м |
| | | |Вт/мК |Вт/мК | |
|С |1,07 |32,2 |0,137 |0,165 |0 |
|B |1,45 |43,3 | | | |
|A |1,75 |52,5 | | | |
|С |1,08 |32,5 |0,137 |0,171 |0,5 |
|B |1,45 |43,6 | | | |
|A |1,75 |52,5 | | | |
|С |1,07 |32 |0,137 |0,176 |1 |
|B |1,46 |43,8 | | | |
|A |1,77 |53 | | | |
|С |0,98 |29,5 |0,137 |0,184 |1,5 |
|B |1,28 |38,6 | | | |
|A |1,69 |50,8 | | | |
|С |0,97 |29 |0,137 |0,190 |2 |
|B |1,27 |38 | | | |
|A |1,68 |50,5 | | | |
|С |0,96 |28,8 |0,137 |0,193 |2,4 |
|B |1,26 |37,8 | | | |
|A |1,68 |50,5 | | | |


Таблица 2

Зависимость теплопроводности ((( МЖ с графитовым наполнителем от
напряженности внешнего магнитного поля

|Пластина|U, мВ |t, 0С |(1, |(2, |Н, кА/м |
| | | |Вт/мК |Вт/мК | |
|С |1,07 |32,2 |0,137 |0,165 |0 |
|B |1,45 |43,3 | | | |
|A |1,75 |52,5 | | | |
|С |1,04 |31,2 |0,137 |0,163 |0,5 |
|B |1,42 |42,5 | | | |
|A |1,73 |52 | | | |
|С |0,99 |29,8 |0,137 |0,161 |1 |
|B |1,30 |39 | | | |
|A |1,66 |49,8 | | | |
|С |0,98 |29,5 |0,137 |0,159 |1,5 |
|B |1,29 |38,8 | | | |
|A |1,65 |49,6 | | | |
|С |0,98 |29,5 |0,137 |0,156 |2 |
|B |1,30 |39 | | | |
|A |1,66 |49,8 | | | |
|С |0,99 |29,8 |0,137 |0,146 |2,4 |
|B |1,36 |41 | | | |
|A |1,72 |51,5 | | | |



Таблица 3

Зависимость теплопроводности ((( МЖ с алмазным наполнителем от
напряженности внешнего магнитного поля

|Пластина|U, мВ |t, 0С |(1, |(2, |Н, кА/м |
| | | |Вт/мК |Вт/мК | |
|С |0,97 |25,9 |0,137 |0,179 |0 |
|B |1,24 |33,7 | | | |
|A |1,66 |44,9 | | | |
|С |0,99 |26,9 |0,137 |0,185 |1,1 |
|B |1,25 |34,0 | | | |
|A |1,67 |44,1 | | | |
|С |1,00 |26,8 |0,137 |0,187 |1,2 |
|B |1,26 |34,2 | | | |
|A |1,68 |44,3 | | | |
|С |1,01 |27,0 |0,137 |0,192 |3,2 |
|B |1,26 |34,2 | | | |
|A |1,68 |44,3 | | | |
|С |1,02 |27,3 |0,137 |0,186 |4,2 |
|B |1,27 |34,5 | | | |
|A |1,68 |44,3 | | | |
|С |1,03 |27,5 |0,137 |0,196 |4,8 |
|B |1,27 |34,5 | | | |
|A |1,69 |44,5 | | | |


Таблица 4

Зависимость теплопроводности (( МЖ с алмазным наполнителем от
напряженности внешнего магнитного поля

|Пластина|U, мВ |t, 0С |(1, |(2, |Н, кА/м |
| | | |Вт/мК |Вт/мК | |
|С |1,04 |27,7 |0,137 |0,179 |0 |
|B |1,28 |34,7 | | | |
|A |1,70 |44,9 | | | |
|С |1,04 |27,7 |0,137 |0,165 |1,1 |
|B |1,29 |35,0 | | | |
|A |1,70 |44,9 | | | |
|С |1,03 |27,5 |0,137 |0,153 |1,2 |
|B |1,29 |35,0 | | | |
|A |1,69 |44,5 | | | |
|С |1,03 |27,5 |0,137 |0,153 |3,2 |
|B |1,29 |35,0 | | | |
|A |1,69 |44,5 | | | |
|С |1,04 |27,7 |0,137 |0,165 |4,2 |
|B |1,29 |35,0 | | | |
|A |1,70 |44,9 | | | |
|С |1,05 |28,0 |0,137 |0,173 |4,8 |
|B |1,29 |35,0 | | | |
|A |1,70 |44,9 | | | |