Экспериментальное подтверждение пондеромоторного механизма электромагнитного возбуждения упругих колебаний в магнитной жидкости

Пондеромоторный механизм электромагнитного возбуждения упругих колебаний в МЖ первоначально считался единственно возможным. Формально этот вывод следовал из основного уравнения квазиравновесной гидродинамики магнитных жидкостей, когда необратимыми процессами намагничивания можно пренебречь и :

, (5.1)

где напряженность магнитного поля определяется уравнениями магнитостатики: ; .

Работ, посвященных изучению физической природы механизма генерирования упругих колебаний магнитной жидкостью, находящейся в переменном магнитном поле с частотой колебаний в несколько десятков килогерц, очень мало. Поэтому возникла необходимость провести экспериментальное исследование данного вопроса (В.М. Полунин, Н.М. Игнатенко, В.А. Зрайченко. 1990 г.).

На рисунке 5.1 показана блок-схема экспериментальной установки для исследования МАЭ в магнитной жидкости в области низких ультразвуковых частот.

Стеклянная труба L-образной формы 1 заполнена исследуемой магнитной жидкостью 2. Нижний горизонтальный патрубок расположен между полюсами лабораторного электромагнита 3, обеспечивающего получение постоянного однородного поля. На патрубок коаксиально надета возбуждающая катушка индуктивности 4. Между катушкой и стеклянной трубкой имеется воздушный зазор ~2 мм. Наличие стоячей упругой волны в системе магнитная жидкость – цилиндрическая труба фиксируется с помощью пьезоэлектрической пластинки 5, размещенной на торце металлического стержня– волновода 6. Осциллограф 7 предназначен для наблюдения переменного электрического напряжения, снимаемого с пьезоэлемента. 8 – генератор переменного напряжения. 9 – измеритель магнитной индукции.

В опытах использовалась МЖ на основе керосина с плотностью r=1300 кг/м³ и намагниченностью насыщения М_s=51 кА/м.

На рисунке 5.2 приведена зависимость относительной амплитуды b_е возбуждаемых колебаний от напряженности постоянной составляющей магнитного поля Н_о, полученная для частоты 20 кГц. Заштрихованные кружки – значения, полученные при увеличении напряженности магнитного поля, светлые – при уменьшении. На этом же рисунке приведены результаты измерения b_М=М/М_max (заштрихованные ромбы, пунктирная кривая) при М_max=49 кА/м. В области технического насыщения обе кривые имеют качественно сходный характер – по мере увеличения напряженности поля они выходят на насыщение.

Пондеромоторный механизм, как это следует из выражения f_р=m_oMÑHV, обусловливает действие вынуждающей силы, пропорциональной намагниченности жидкости, что и наблюдается в данном опыте.

Пондеромоторный механизм характеризуется также линейной зависимостью амплитуды генерируемого звука от амплитуды переменного магнитного поля.

В рассматриваемом диапазоне частот наличие такой зависимости подтверждается в опытах, выполненных на установке, схематически показанной на рисунке 5.3. К генератору 1 подсоединена возбуждающая катушка индуктивности (индуктор) 2, размещенная внутри кольцевого магнита 3. Перемещение магнита фиксируется катетометром 4. В МЖ 5, заполняющей цилиндрическую оболочку 6, возникает стоячая волна, наличие которой фиксируется с помощью пьезоэлектрической пластинки 7, размещенной на торце волновода 8. Осциллограф 9 предназначен для наблюдения и измерения электрического сигнала.

Если источником переменного магнитного поля является катушка индуктивности (индуктор), то амплитуда напряженности магнитного поля Нm, согласно закону Био-Савара-Лапласа, прямо пропорциональна амплитуде силы тока I в индукторе. Такой же зависимостью от силы тока I характеризуется ÑНm и пондеромоторная сила fp.

На рисунке 5.4 представлены результаты измерений амплитуды осциллограмм е_m для различных значений амплитуды переменного напряжения U_о и аппроксимирующая прямая.

Линейность зависимости относительной амплитуды колебаний от намагниченности МЖ β(М) подтверждается графиком, представленном на рисунке 5.5. Экспериментальные данные получены на частоте 24,2 кГц.

Таким образом, предположение о доминирующей роли пондеромоторного механизма электромагнитного возбуждения звуковых колебаний в МЖ, используемое часто в различных теоретических моделях, не противоречит опытным данным, полученным в килогерцовом диапазоне частот. В последующем рассмотрении конкретных случаев электромагнитного возбуждения упругих колебаний в МЖ мы будем основываться на концепции пондеромоторного механизма.