IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Вплоть до 60-х годов XX века неотъемлемой характеристикой магнитных материалов считалась твердость. Зародилось представление о «магнитной» жидкости, с помощью которой пытались объяснить магнитные свойства вещества. И хотя эту мифическую жидкость так и не обнаружили, однако было установлено, что некоторые гомогенные жидкости действительно обладают слабыми магнитными свойствами [1].

Многолетний повышенный интерес к магнитным жидкостям со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого использования привели к тому, что к настоящему времени наука о магнитных жидкостях стала самостоятельной, чрезвычайно интересной и практически полезной областью исследований, находящихся на стыке физической химии коллоидов, физики магнитных явлений, магнитной гидродинамики и математического моделирования [2-10].

Принцип действия жидкостных демпферов достаточно прост – благодаря внутреннему трению в жидкости диссипируется кинетическая энергия нежелательных механических перемещений и колебаний. Два свойства магнитной жидкости обусловили ее успешное использование в демпферах вращательных колебаний. Прежде всего – это «всплывание» в магнитной жидкости над немагнитной стенкой твердого тела, которое обладает собственным магнитным моментом. Во-вторых, при производстве магнитных жидкостей легко регулировать их намагниченность и вязкость, которые в свою очередь влияют на демпфирующие характеристики устройства. Эти свойства успешно используются в магнитожидкостных инерционных демпферах. Так называемая инерционная масса, которая представляет собой намагниченный наборный стальной цилиндр, «самовзвешивается» в немагнитном корпусе, заполненном магнитной жидкостью. Пленка магнитной жидкости между вращающимся корпусом, который крепится непосредственно на валу двигателя, и инерционной массой поглощает механическую энергию только в нестационарных режимах вращения вала. При ускорении и торможении вала скорость вращения корпуса демпфера начинает отличаться от скорости инерционный массы и включается механизм внутреннего трения магнитной жидкости, так как появляется относительное движение отдельных слоев магнитной жидкости. Другими словами, инерционная масса при вращении поглощает энергию паразитных вибраций вала в процессе перехода на новую скорость вращения, из-за которых время перехода резко возрастает.

На валу, поступательные вибрации которого необходимо устранить, устанавливается полный поршень из магнитного материала содержащий постоянный кольцевой магнит. Цилиндрический слой магнитной жидкости между немагнитным корпусом и поршнем в процессе сдвиговых деформаций диссипирует энергию вибраций вала.

Магнитожидкостные демпферы успешно принимаются в измерительных приборах. Фирмой «Fisher Control» разработан измеритель расхода жидкости, в котором вертикальное перемещение конусообразного поплавка под действие потока с помощью двух магнитов преобразуется во вращательное движение стрелки. Две капли магнитной жидкости размещаются в зазоре между цилиндрическим магнитом и немагнитным корпусом вблизи плюсов магнитов. Отметим, что в этом устройстве не нужно создавать неоднородность магнитного пол для локализации жидкости. При возникновении вихревых течений колебания стрелки демпфируются магнитной жидкостью и прибор показывает только изменения среднего расхода жидкости.

Ротационный вискозиметр для измерения вязкости чернил, созданный фирмой «Crosfield», содержит постоянный цилиндрический магнит, который вместе с полюсными наконечниками жестко крепится к внешнему немагнитному цилиндру, приводимому во вращение со скоростью n=2000 об/мин электродвигателем. Как и в классической конструкции магнитожидкостного герметизатора, магнитная жидкость удерживается в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и цилиндрическим корпусом из магнитомягкого материала. Корпус в свою очередь жестко связан со второй частью внешнего цилиндра, внутри которого располагается тонкий цилиндрический торсион, передающий момент вращения от цилиндра коническому элементу. По углу закручивания торсиона рассчитывают вязкость чернил. Магнитожидкостный демпфер сглаживает вращательные вибрации торсиона в период запуска и останова вискозиметра. Демпфирующая характеристика узла обратно пропорциональна величине радиального зазора, заполненного магнитной жидкостью.

Описанный магнитожидкостный демпфер выполнен так же, как и магнитожидкостный герметизатор, в котором источник магнитного поля вместе с концентраторами расположен на вращательном валу. Следовательно, любой магнитожидкостный герметизатор вращающегося вала, кроме своего основного назначения-разделять две области с разным давлением, – может также демпфировать нежелательные колебания вала. Применение такого магнитожидкостного демпфера-герметизатора описано К. Рэем и Р. Московицем (1980).

Отметим еще одно достоинство магнитожидкостных демпферов: они могут применяться в оборудовании, произвольно ориентированном пространстве, а также в условиях, близких к несовместимости. В этом случае магнитная жидкость удерживается в заданном положении внешним магнитным полем специальных герметизирующих приспособлений.

Первый измерительный прибор, принцип действия которого основывается на зависимости давления в магнитной жидкости от величины поля в ней, был предложен Р. Е. Розенцвейгом в 1969 г. Работающий образец этого прибора, акселерометра, предназначенного для измерения ускорений был, создан в Англии в середине 70-х гг. Чувствительный элемент акселерометра – цилиндрический постоянный магнит, намагниченный в осевом направлении, взвешивался в магнитной жидкости, которая заполняла тонкую трубку из немагнитного материала. При радиальном перемещении инерциальной массы ее собственное магнитное поле создает в магнитной жидкости центрирующую силу.

Магнитная жидкость используется в качестве рабочей среды при неразрушающем контроле изделий. Множество современных устройств содержит детали из немагнитных материалов с охлаждающими каналами, отверстиями для смазки или внутренними полостями. Способ диагностики размеров внутренних отверстий с помощью магнитной жидкости описан Р. Бэйли (R. L. Bailey) (1983). Электромагнитный датчик, регистрирующий изменение магнитной проницаемости, перемещают по поверхности детали. Величина сигнала зависит от объема магнитной жидкости в отверстии, расстояние от датчика до жидкости и ее намагниченности ее насыщения. Датчик калибрует на специальных деталях с каналами заданного диаметра, просверленными на разных расстояниях от внешней поверхности. Калибровочные кривые для жидкостей разной намагниченности описывают зависимость сигнала от толщины стенки детали над каналом. По калибровочным кривым легко найти расстояние, на котором расположены отверстия данного диаметра под поверхностью детали произвольной формы. Для диагностических каналов с переменной площадью поперечного сечения строится серия калибровочных графиков. По сравнению с известными методами контроля (например, с помощью небольших магнитов, опускаемых в отверстия на стержнях) использование магнитных жидкостей повышает точность измерений, особенно для отверстия небольшого диаметра и сложной конфигурации.

Неразрушающий контроль может также основываться на магнитооптических явлениях. Например, используя прецизионную оптическую аппаратуру, находят распределение индукции сигналограмм по оптической анизотропии слоя магнитной жидкости, вызванной полями рассеяния, магнитной записи. В. И. Дроздова и др. (1987) описали проникания полей в многодорожечных блоках с головками для магнитной записи.

Небольшое содержание твердых частиц в магнитных жидкостях, неиспользуемых при визуализации структуры магнитной записи, позволяет регистрировать локальное изменение концентрации частиц, которое обусловлено действием неоднородного магнитного поля сигналограммы.

Другой механизм воздействия неоднородного магнитного поля на слой магнитной жидкости со свободной поверхностью уже упоминался. Это увеличение толщины слоя в области сильного поля, которое компенсирует повышение давления в жидкости, расположенной в этой области. Сверху магнитная жидкость покрыта прозрачной жидкостью, которая не смешивается с магнитной и имеет меньшую плотность. Эта жидкость снижает силы поверхности натяжения на границе раздела и, следовательно, способствует образованию более детального рельефа на поверхности магнитной жидкости (поэтому применяют высококонцентрированные жидкости) и магнитному полю на исследуемой поверхности, которое зависит от рассеяния магнитного потока, проходящего через деталь, на дефектах (трещины, раковины, расслоения и т. п.). С помощью оптического устройства контроль можно проводить по принципу «да» — «нет»: если высота рельефа меньше некоторой минимальной величины, то деталь бракуется, так как после рассеяния слишком велико из-за дефектов внутри детали.

При контроле намагниченности (величины и однородности) постоянных магнитов, которое используются в различных электромеханических устройствах, в установке отсутствует внешний источник магнитного поля.

В ряде измерительных устройств реализовано свойство магнитной жидкости изменять величину потока индукции через площадь, ограниченную проводником, когда в контуре находится «магнитожидкостный сердечник». Дж. Хантер (J. Hunter), В. Стриплинг (W. Stripling) и Х. Уйат (H. White) в 1972 г. предложили детектор уровня и вибропреобразователь, содержащий емкость (например, цилиндр) с измерительной обмоткой и обмоткой генератора, которая частично заполнялась магнитной жидкостью. В таком дифференциальном трансформаторном датчике магнитный поток, создаваемый обмоткой, индуцирует в измерительной обмотке ЭДС, которая зависит от силы тока питания, частоты питающего напряжения и взаимной индуктивности измерительной обмотки и обмотки генератора. Взаимная индуктивность этих обмоток зависит от магнитных свойств жидкости, которая служит общим сердечником в датчике, и степени заполнения жидкостью измерительной обмотки. Соотношения для расчета одноосного датчика угла наклона, который имеет вид горизонтального цилиндрического сосуда, частично заполненного магнитной жидкостью, получены Р. Олару (R. Olaru) и др. (1983). Чувствительность датчика, которая характеризует изменение выходного напряжения при единичном отклонении его оси от горизонтали, рассчитывается по формуле

где χ=const–магнитная восприимчивость магнитной жидкости в слабых полях; L – длина цилиндрического датчика; D – внутренний диаметр датчика; h– максимальная высота слоя магнитной жидкости в датчике; U – напряжение, индуцируемое в измерительной обмотке.

На экспериментальной модели модели датчика получены данные, которые подтверждают высокую разрешающую способность (приблизительно 10 мкм/м) датчика при оптимальных геометрических параметрах, рабочем напряжении, магнитных свойствах жидкости и степени его заполнения.

Характеристики дифференциального манометра, действие которого основано на возникновении разности индуктивностей двух обмоток на U-образной трубке при смещении столба магнитной жидкости под действием перепада статического давления, приведены И. Потенчем (I. Potencz) и др. (1985). Выходной электрический сигнал в описанном манометре изменялся линейно с изменением ∆p, а чувствительность составляла сотни делений шкалы на ∆p ≈ 10 Н/.

Ф. Ф. Лазаревым и др. (1984) разработаны конструкции устройства для автоматической температурной сигнализации. Как и в феррогидростатических сепараторах, в основе этих устройств лежит явление выталкивания погруженного в магнитную жидкость немагнитного тела из области сильного магнитного поля. Чувствительным элементом, реагирующим на повышение температуры выше допустимой, служит постоянный магнит с точкой Кюри, равной, равной температуре, при которой должна срабатывать сигнализация. С повышением температуры контролируемой среды до определенной измерительный элемент утрачивает спонтанную намагниченность и поплавковый узел опускается на дно емкости, заполненной магнитной жидкостью. При этом разрывается электрическая цепь и срабатывает сигнализация.

На основании всего сказанного, можно с уверенностью сказать, что наука о магнитных жидкостях на самом деле чрезвычайно интересная, познавательная. Она обладает уникальными особенностями и тонкостями. Открытия в области магнитной жидкости широко используются во многих сферах нашей жизни (медицина, автомобили, компьютерная техника).

Список литературы

1. Фертман В.Е. Магнитные жидкости: Справочное пособие. Минск: Высш. шк. 1988. 184 с.

2. Математическое моделирование процесса образования пузырька пара в магнитной жидкости / Козлова В.Р., Бородина Е.С., Яновский А.А., Симоновский А.Я. //Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-3. С. 386-387.

1. Яновский А.А. А.Я. Симоновский, Холопов В.Л. Влияние магнитного поля на процессы парообразования в кипящей магнитной жидкости // Фундаментальные исследования. 2013. № 8-2. С. 332-337.

2. Математическое моделирование и разработка систем охлаждения процессоров персональных компьютеров / Яновский А.А., Каныгин Я.В. // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-4. С. 496-498.

3. Яновский А.А. Тепло- и массоперенос при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности с точечным подводом тепла / Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4-3. С. 1289-1290.

4. Теплообмен в кипящей магнитной жидкости / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Холопов В.Л. // В сборнике: Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносиcтем V Всероссийская научная конференция с международным участием: сборник научных трудов. 2015. С. 276-282.

5. Симоновский А.Я., Яновский А.А. Влияние однородного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности // Наука. Инновации. Технологии. 2011. № 6-1. С. 272-278.

6. Игропуло В.С., Яновский А.А. Математическое моделирование некоторых ориентационных процессов на наноповерхностях // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2008. т. 15. № 3. C. 484-485.

7. Перспективы развития и моделирования систем охлаждения процессоров пк с использованием магнитной жидкости в качестве охлаждающей среды / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Хаустов П.А. // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-4. С. 498-499.

8. Моделирование отрыва пузырьков пара в кипящей магнитной жидкости / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Холопов В.Л. // В сборнике: Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносиcтем V Всероссийская научная конференция с международным участием: сборник научных трудов. 2015. С. 239-246.

Код для цитирования: Скопировать