Самоорганизация слоя магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля

Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля. Самоорганизация вещества — это один из самых удивительных процессов, которые происходят в природе, так как сама жизнь есть процесс создания порядка из хаоса. Известно, что процессы самоорганизации обязательно связаны с коллективным поведением внутри системы, которая подвергается внешнему воздействию в виде притока вещества или энергии. Причем воздействие извне должно быть сильным, закритическимпри этом система переходит в особую нелинейную область, которую называют областью, удаленной от равновесия. Изучение этих процессов только начинается и оказывается, что они открывают новые пути осмысления процессов, происходящих в природе. Благодаря этому уделено большое внимание исследованию процессов самоорганизации в различных средах как со стороны отечественных, так и зарубежных ученых.

Актуальность изучения процессов самоорганизации именно в слое магнитодиэлектрического коллоида заключается в простоте и доступности экспериментальных исследований, результаты которых возможно использовать для понимания природы процессов, происходящих в других средах, в которых исследования затруднены. Процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида в настоящее время малоизучены. Однако уже полученные результаты позволяют заключить, что в такой среде при воздействии электрического поля возможно наблюдать и моделировать коллективные явления, характерные для химических реакторов, в которых могут протекать процессы с автокаталитическими стадиями, нервных волокон и других систем. Все это свидетельствует о том, что в настоящее время актуальными являются исследования коллективных явлений в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии на него электрического поля.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование особенностей процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

— создание экспериментальной установки для исследования процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии постоянного электрического поля (0−2000 кВ/м) и обусловленных ими особенностей электрических свойств слоя коллоида различной толщины (20−220 мкм);

— изучение динамики процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины в зависимости от величины (0−300 В) и времени (0.1−30 минут) воздействия постоянного напряжения;

— исследование особенностей электрических свойств слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловленных наличием в нем процессов самоорганизации при различной величине и времени воздействия постоянного напряженияпредставление на основе результатов экспериментальных исследований теоретического обоснования формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1. Визуально зарегистрированы процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида с объемной концентрацией твердой фазы Ф=2%, выражающиеся в виде динамических структурных образований размером несколько миллиметров и раскручивающихся спиралей (спиральных волн) при воздействии постоянного электрического поля напряженностью до Еп=2000 кВ/м. Показано, что автоволновые процессы, наблюдаемые ранее на поверхности слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловлены динамикой структурных превращений (самоорганизацией) его дисперсной фазы при воздействии постоянного электрического поля.

2. Исследовано влияние визуально зарегистрированных процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, находящегося между электродами конденсатора, в котором эти процессы наблюдались. Показано, что магнитодиэлектрический коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.

3. Изучены особенности процессов формирования и трансформации динамических структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины d = 20−220 мкм в зависимости от величины (0н-300 В) и времени (0.1н-30 минут) воздействия постоянного напряжения. Определены диапазоны постоянных напряжений, при которых формируются структурные образования различной формы и размеровпредставлена динамика изменения структур с течением времени.

4. Экспериментально обнаружено формирование в тонких слоях магнитодиэлектрического коллоида (d=20-^25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей. Установлено, что возникновение вихрей сопровождается образованием «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в центре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волны.

5. При использовании известных теоретических разработок для описания поведения проводящих частиц в слабопроводящей жидкости представлено обоснование формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается использованием апробированных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния, электрофизики, физики магнитных явленийсогласуются с известным опытом исследования процессов самоорганизации в других средах. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и других научных конференциях.

Практическая ценность результатов заключается в том, что полученные результаты исследования процессов самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида при воздействии электрического поля внесли вклад в развитие физики коллоидных систем и фундаментальных проблем синергетики.

Обнаруженные и исследованные процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием электрического поля могут быть использованы для создания управляемого колебательного контура. Результаты могут быть полезны при создании материалов с новыми свойствами, а также моделировании аномальных атмосферных явлений, таких, как смерчи.

Автор защищает:

1. Экспериментально обнаруженные эффекты формирования и трансформации динамических структурных образований размером несколько миллиметров в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины (20-^220 мкм) в зависимости от величины (0−4-2000 кВ/м) и времени воздействия (0.1-К30 мин) постоянного электрического поляявления возникновения в тонких слоях коллоида (<3=20-^25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей.

2. Вывод об обусловленности автоволновых процессов на поверхности слоя магнитодиэлектрического коллоида динамикой структурных превращений (самоорганизации) в объеме его дисперсной фазы при воздействии постоянного электрического поля.

3. Результаты экспериментального исследования влияния процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, показавшие, что коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.

4. Анализ обнаруженного формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля, основанный на известных модельных представлениях поведения проводящих частиц в слабопроводящей жидкости в электрическом поле.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на:

— Ill International Conference Fundamental Problems of Physics. Kazan, 13−18 June, 2005.;

— 10-й и 11-й Международных конференциях по магнитным жидкостям. Плес, (2002, 2004 гг.);

— VII Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и ЭГД жидкостей». Россия, Санкт-Петербург, 2003.;

— International conference on Magnetic fluids. Delhi, 22 — 24 January, 2003.;

— II Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Россия Санкт-Петербург, 2006.;

— XII Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006 г.);

— IV Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и механотронике». ЮРГТУ, Новочеркасск, 2005.;

— XLII Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2004.;

— VI Региональной научно-практической студенческой конференции «научные открытия, меняющие мир». Кисловодск, 2004.;

— Ill, V Региональных научных конференциях «Студенческая наукаэкономике России». Ставрополь, (2002, 2005 гг.);

— VIII, IX Региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Ставрополь, (2004,2005 гг.);

— XXXIII, XXXIV, XXXV научно-технических конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003, 2004,2005 года. Ставрополь, (2004, 2005,2006 гг.);

По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, содержащего 88 наименований. Диссертация содержит 130 страниц, 45 рисунков и одну таблицу.

Основные результаты и выводы.

1. Визуально зарегистрированы процессы самоорганизации в слое магнитодиэлектрического коллоида с объемной концентрацией твердой фазы Ф=2%, выражающиеся в виде динамических структурных образований размером несколько миллиметров и раскручивающихся спиралей (спиральных волн) при воздействии постоянного электрического поля напряженностью до Еп=2000 кВ/м. Показано, что автоволновые процессы, наблюдаемые ранее на поверхности слоя магнитодиэлектрического коллоида, обусловлены динамикой структурных превращений (самоорганизацией) его дисперсной фазы при воздействии постоянного электрического поля.

2. Исследовано влияние визуально зарегистрированных процессов самоорганизации на проводимость слоя магнитодиэлектрического коллоида, находящегося между электродами конденсатора, в котором эти процессы наблюдались. Показано, что магнитодиэлектрический коллоид при наличии структурных образований в постоянном электрическом поле представляет собой активную нелинейную среду.

3. Изучены особенности процессов формирования и трансформации динамических структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида различной толщины d = 20−220 мкм в зависимости от величины (О-ьЗОО В) и времени (0.1-к30 минут) воздействия постоянного напряжения. Определены диапазоны постоянных напряжений, при которых формируются структурные образования различной формы и размеровпредставлена динамика изменения структур с течением времени.

4. Экспериментально обнаружено формирование в тонких слоях магнитодиэлектрического коллоида (d=20^-25 мкм) структурных образований в виде вращающихся колец и вихрей. Установлено, что возникновение вихрей сопровождается образованием «лучистой» структуры размером несколько миллиметров, в центре которой располагается вихрь, и распространением спиральной волны.

5. При использовании известных теоретических разработок для описания поведения проводящих частиц в слабопроводящей жидкости представлено обоснование формирования и трансформации структурных образований в слое магнитодиэлектрического коллоида под действием постоянного электрического поля.

Заключение

.