Výskum dielektrických a magnetodielektrických vlastností magnetických kvapalín je úzko spojený s magnetodielektrickým javom, ktorý sa prejavuje magnetodielektrickou anizotropiou [3]. Výsledky výskumu elektrickej pevnosti magnetických kvapalín s  rôznymi koncentráciami magnetitových častíc (0,125%-4%) pri voľbe vyššie uvedeného usporiadania taktiež poukázali na magnetodielektrickú anizotropiu, ktorá sa prejavuje značnou odlišnosťou elektrickej pevnosti sledovanej magnetickej kvapaliny v závislosti od orientácie elektrického a magnetického poľa. Jednou z pozorovaných makroskopických výpovedeschopných veličín je relatívna permitivita (er) magnetickej kvapaliny. Permitivita je funkciou aplikovaného poľa [1] a vzájomnej orientácie intenzity elektrického a magnetického poľa

Herchl, František

Kolcunová, Iraida

Koneracká, Martina

Kopčanský, Peter

Marton, Karol

Timko, Milan

Tomčo, Ladislav

DSpace at University of West Bohemia

Dielektrické a magnetodielektrické vlastnosti magnetických kvapalínMarton K. – FEI TU Košice, Tomčo L. – LF TU Košice, Herchl F. – UEF SAV Košice,Kolcunová I. - FEI TU Košice, Koneracká M. – UEF SAV Košice, Kopčanský P., Timko M. – UEF SAV KošiceAnotaceThere are described characteristic dielectric and magnetodielectric properties of magnetic fluids in a contribution. The behaviour of magnetic fluids in AC electric field with frequency  f = 50 Hz is de-fined. Measurements were carried out in combined electric and magnetic field, when fields were par-allel ( E  H ), perpendicular ( E H ) and without presence of magnetic field (H = 0). Analysis of these properties were done for magnetic fluids based on inhibited transformer oil ITO 100 with vol-ume concentrations of magnetit particles ( FeO.Fe2O3)  in range from 0,185 % up to 3,214% .ÚvodVýskum dielektrických a magnetodielektrických vlastností magnetických kvapalín je úzko spojený s magnetodielektrickým javom, ktorý sa prejavuje magnetodielektrickouanizotropiou [3]. Výsledky výskumu elektrickej pevnosti magnetických kvapalín s  rôznymi koncentráciami magnetitových častíc (0,125%-4%) pri voľbe vyššie uvedeného usporiadania taktiež poukázali na magnetodielektrickú anizotropiu, ktorá sa prejavuje značnou odlišnosťou elektrickej pevnosti sledovanej magnetickej kvapaliny v závislosti od orientácie elektrického a magnetického poľa. Jednou z pozorovaných makroskopických výpovedeschopných veličín je relatívna permitivita (r) magnetickej kvapaliny. Permitivita je funkciou aplikovaného poľa [1] a vzájomnej orientácie intenzity elektrického a magnetického poľa.Magnetické kvapaliny v striedavom elektrickom poli pri súčasnom pôsobení magnetického poľaSledované boli procesy odohrávajúce sa v makroskopickom prostredí elektródového systému a mikroskopickom prostredí medzi časticami samotnými a vytvorenými zhlukmi –klastrami častíc ihličkovitého tvaru z komplexného hľadiska. Jednou z ciest je riešenie, ktoré poskytuje rovnica vyjadrujúca silové účinky elektrického a magnetického poľa v prostredí.Sila, spôsobujúca mobilitu častíc v elektrickom poli je funkciou ich hmotnosti, ktorá je závislá od koncentrácie c jej zložiek m(c), ďalej od lokálnej mernej hmotnosti, ktorú spôsobujú zhluky častíc. Pri aplikovaní striedavého elektrického poľa  frekvencie 50Hz nie je zanedbateľná Stokesova sila, vyjadrujúca účinky dynamickej viskozity média.Z hľadiska spoluúčinkovania magnetického poľa o indukcii B hrá dôležitú úlohu rýchlosť častíc v a orientácia jej zložiek  (v||, resp. v) vzhľadom na vektor E, prípadne B.Naznačíme riešenie týchto prípadov:a) E - variabilné; B=0mT, potom v striedavom elektrickom poli E sila vyvolá vo vnútri kvapaliny aj mechanické namáhanie (tlakové a ťahové).Ak prijmeme hypotézu o lokálnych diferenciálnych zmenách permitivity a mernej hmotnosti0 v MK pôsobením silného elektrického poľa, potom existuje objemová sila vyvolanánehomogenitou poľa a anizotropiou izolačného média.Z výskumu vzniku a existencie priestorového náboja v medzielektródovom systéme v magne-tickej kvapaline vyplýva [5], že pôsobením elektrického poľa dochádza k polarizácii zložiek MK v nanometrických rozmeroch. Potom na polarizované častice pôsobí gradientová sila.0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,567891011121314MK 2% B=40mTolej Technol EB  (a) EB  (b) E||B  (c) E||B  (d) B=0mTE[MV/m]s[mm]Obr. 1:  Elektrická pevnosť magnetickej kvapaliny pri rôznych orientáciách E a B (b-opačná orientácie B oproti prípadu a, c-paralelná, d-antiparalelná orientácia)b) Súčasný vplyv elektrického a magnetického poľa na magnetodielektrické vlastnosti magnetických kvapalínBudú analyzované prípady, ktoré poukážu na to, aké usporiadanie aplikovaného elektrického prípadne magnetického poľa bude dominujúce pri určení permitivity a stratového činiteľa magnetickej kvapaliny pri rešpektovaní anizotropie v skúmanom médiu. Keďže skúmame E||B a EB, rozložme vektory rýchlosti v častíc a intenzity poľa E na zložky paralelné a kolmé k vektoru magnetickej indukcie B: v = v|| + v a E = E|| + E. Ďalšou analýzou sa dá ukázať, že pohyb nabitých častíc v prípade EB je charakterizovaný dvoma typmi pohybu: driftom s konštantnou rýchlosťou vE a pohybom po kružnici s rýchlosťou v´vyvolanou iba magnetickým poľom. V kombinovaných poliach pri existencii vE , častice sa posúvajú v smere kolmom k vektorom E a B, čo spôsobuje ich pohyb po špirále.Magnetodielektrické vlastnosti kvapalín a parameter anizotropieV prácach, v ktorých sa diskutuje magnetodielektrický jav je uvedená definícia parametra anizotropie g(B) [1],[3]:      0εBε0εBεg(B) ||kde ε||(B) a ε(B) sú permitivity pre E||B a EB a ε(0) pre B=0. Pri výskume elektrickej pevnosti magnetickej kvapaliny pri aplikovaní jednosmerného vysokého napätia bola potvrdená anizotropia. Priebeh E = f(s) je znázornený na obr.1.Skúmanie magnetodielektrických vlastností magnetických kvapalín bolo orientované na sledovanie závislostí relatívnej permitivity rod koncentrácie magnetickej kvapaliny, ako aj od hodnoty priloženého napätia na elektródový systém v oblasti slabých elek-trických polí do 2,5.106 Vm-1. Súčasne boli sledované dielektrické straty v magnetických kvapalinách v závislosti od veľkosti priloženého elektrického napätia a koncentrácie kvapaliny. Zmeny relatívnej permitivity  εr  magnetickej kvapaliny pri nízkej koncentrácii (0,185 %) magnetických častíc v závislosti od napätia (0,5kV-2 kV) 0,4 0,8 1,2 1,6 2,02345 rU[kV]    B=0mT    B||E  B=40mT    BE  B=40mT    B||E  B=20mT    BE  B=20mTObr. 2:  Závislosť r od priloženého napätia pri rôznych orientáciách B a E.Obr. 3: Vplyv magnetickej indukcie na zmenu εr, koncentrácie c1<c2<c3.dosahujú nízke hodnoty. Pri vyšších koncentráciách magnetických častíc je závislosť εr = f(U) nelineárna (Obr. 2).Hodnoty εr pri E||B, EB a B=0mT výrazne poukazujú na stupeň anizotropie v magnetických kvapalinách. So zvyšujúcou sa koncentráciou magnetickej kvapaliny sa zvyšuje aj hodnota relatívnej permitivity, čo je dané z fyzikálneho hľadiska zvýšením polarizovateľnosti kvapalného média ako aj predĺžením ihličkovitých klastrov a ich vyššou koncentráciou v jednotke objemu.Zovšeobecňujúci priebeh relatívnej permitivity εr v závislosti od aplikovanej magnetickej indukcie B má analogický charakter, pričom parametrom je koncentrácia magnetickej kvapaliny (Obr.3). Miera nárastu relatívnej permitivity nezodpovedá lineárnemu nárastu hodnoty koncentrácie v skúmanom médiu.Dielektrické straty v magnetickej kvapaline sú definované činiteľom dielektrických strát tgδ. Veľmi výrazne sa prejavil vplyv nízkej koncentrácie častíc na vývoj dielektrických strát v magnetickej kvapaline (Obr.4b). Pozvoľný zvrat do zmeny mechanizmu dielektrických strát pri zvyšovaní koncentrácie magnetickej kvapaliny spôsobuje aktivizácia priestorových nábojov, predovšetkým pri narastaní napätia. Aplikovaním komplexnej permitivity a vodivosti na riešenie pomerov v zložitej izolačnej sústave  (komponenty: transformátorový olej, kyselina olejová, Fe3O4 nanočastice) dá sa vysloviť predpoklad, že objemový (priestorový) náboj sústavy pri zvyšovaní napätia narastá a svojou objemovou zotrvačnosťou ako aj zníženou pohyblivosťou v medzielektródovom priestore nie je schopný sledovať zmeny elektrického poľa pri frekvencii 50 Hz. V dôsledku toho stratový činiteľ tgδ klesá v závislosti od napätia a kvantitatívne jeho hodnota je niekoľkonásobne vyššia než pri pôvodnej nízkej koncentrácii (Obr.5). V oblasti slabých polí bola vyšetrovaná závislosť relatívnej permitivity od koncentrácie média. Prejavil sa dominantný vplyv intenzity 0,1 1 40,81,21,62,02,42,83,23,6 B=0mT B||E BE rkoncentracia[%]Obr. 6:  Závislosť relatívnej permitivity od koncentrácie MK.0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,50,00,51,01,52,02,53,0g(B)U[kV]Obr.7: Závislosť parametra magnetodielektrickej anizotropie g(B) od napätia.0,4 0,8 1,2 1,6 2,00,280,300,320,340,36 B=0mT B=40mT B||E B=40mT BEtg()U[kV]a)                                b)Obr. 4:  a)Modelovanie pomerov v magnetickej kvapaline koncentrácie 0,185%, b)Závislosť stratového činiteľa od priloženého napätia pri koncentrácii 0,185%.0,4 0,8 1,2 1,6 2,01,01,21,41,61,8 B=0mT B=40mT B||E B=40mT BEtg()U[kV]Obr. 5:  Závislosť stratového činiteľa od priloženého napätia pri vysokej koncentrácii (3,214%) magnetitových častíc.elektrického poľa E pri usporiadaní E||B voči EB (Obr.6), o čom svedčí aj parameter anizotropie g(B). Stupeň (parameter) anizotropie pri sledovaní permitivity r aplikovaním magnetického poľa o indukcii B=40mT je na obr.7.ZáverPredložená práca je príspevkom k štúdiu magentodielektrických vlastností kvapalných izolačných médií obsahujúcich monodoménové magnetické častice nanometrickej veľkosti z kategórie feritov na báze oxidov železa. Výskum bol realizovaný v kombinovanom elektrickom a magnetickom poli, pričom orientácia aplikovaných polí bola E||B, EB a Evariabilné pri B=0mT poukázala na výskyt anizotropie v tomto druhu magnetodielektrických médií, čo bolo dokázané experimentom. Účelovo bolo zvolené striedavé elektrické pole 50Hz, pretože výskum uvedených vlastností by mal poukázať na možnosť použitia magnetických kvapalín vo výkonových transformátoroch. Poďakovanieza podporu pri riešení tejto úlohy v rámci grantu VEGA MŠ SR pod číslom 1/3142/06 aSAV 2/6166/26 a APVT 51-027904.Literatúra1. Espurz A., Alameda J.M., In: J.Phys.D: Appl.Phys. 22 (1989) 1174.2. Mailfert A.J., Nahounou B., Dielectric behaviour of a ferrofluid subjected to a uniform magnetic field. In: IEEE Trans.Magn.16 (1980) 254.3. Tomčo L.: Habilitačná práca, UPJŠ Košice 2007.4. Marton K., Tomčo L., Kopčanský P., Herchl F., Timko M., Koneracká M.: The development of electric breakdown in magnetic fluids in combined magnetic and electric fields. In: Przeglad Elektrotechniczny 1, 161, ISSN 1731-6103.5. Marton K., Tomčo L., Herchl F., Kopčanský P., Dolník B., Timko M., Koneracká M.: Priestorové náboje v magnetických kvapalinách pri formovaní sa kanála prierazu. In: Proc. DISEE 2006, 16, ISBN 80-227-2470.6. Kúdelčík J., Gutten M., Brandz M.: Development of electrical breakdown in transformer oil, Advances in Electrical end Electronic Eng. 5 (2006) 277, ISSN 1336-1376.7. Marton K.: Klasifikácia objemových síl prispievajúcich k degradácii polymérnej izolácie. In: Ekt. 53 (2000) 92, č.3, ISSN 1335-0676.Autoriprof. Ing. Karol Marton, DrSc.; Katedra elektroenergetiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Technická univerzita v Košiciach; Letná 9, 042 00 Košice; e-mail: karol.marton@tuke.skRNDr. Ladislav Tomčo, PhD.; Katedra aerodynamiky a simulácií, Technická univerzita v Košiciach, Rampová 7; 041 21 Košice; e-mail: ladislav.tomco@tuke.skRNDr. František Herchl; Ústav experimentálnej fyziky; Slovenská akadémia vied; Watsonova 47, 040 01 Košice; e-mail: herchl@saske.skdoc. RNDr. Peter Kopčanský, CSc.; Ústav experimentálnej fyziky; Slovenská akadémia vied; Watsonova 47, 040 01 Košice; e-mail: kopcan@saske.skRNDr. Milan Timko, CSc.; Ústav experimentálnej fyziky; Slovenská akadémia vied; Watsonova 47, 040 01 Košice; e-mail: timko@saske.skdoc. Ing. Iraida Kolcunová, PhD.; Katedra elektroenergetiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Technická univerzita v Košiciach; Letná 9, 042 00 Košice; e-mail: iraida.kolcunova@tuke.skIng. Martina Koneracká, CSc.; Ústav experimentálnej fyziky; Slovenská akadémia vied; Watsonova 47, 040 01 Košice; e-mail: konerac@saske.sk

Slovak

Dielektrické a magnetoelektrické vlastnosti magnetických kvapalin

University of West Bohemia Digital Library

http://dspace5.zcu.cz/bitstream/11025/398/1/r0c2c1.pdf

Dielektrické a magnetoelektrické vlastnosti magnetických kvapalin

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

DSpace at University of West Bohemia

University of West Bohemia Digital Library

University of West Bohemia Digital Library