Применение ультразвукового магнитожидкостного интерферометра в качестве лекционной демонстрации по физике

Одним из способов повышения качества подготовки специалистов при получении высшего технического образования в вузе является внедрение результатов научных исследований в учебный процесс. В частности, это может быть реализовано при помощи использования лекционных демонстраций, сопровождающих и иллюстрирующих теоретический материал, выдаваемый студентам в традиционной форме. Кроме того, потребность в обсуждении свойств материалов, являющихся продуктом нанотехнологий, вызвана стремлением сделать их более доступными широкому кругу специалистов.

Искусственно синтезированные магнитные жидкости относятся к числу первых активно используемых наноматериалов и представляют собой коллоидный раствор наночастиц магнетита, покрытых слоем стабилизирующего вещества, в жидкости-носителе. Уникальность данного материала состоит в том, что при наличии текучести, характерной для жидких систем, он обладает сильными магнитными свойствами. Благодаря малости частиц дисперсной фазы они удерживаются в объеме жидкости тепловым броуновским движением и вся система характеризуется высокой устойчивостью.

Кафедра физики Юго-Западного государственного университета на протяжении нескольких лет занимается изучением акустических свойств магнитных жидкостей. Тема «Магнитные жидкости» включена в рабочую программу по физике и рассматривается в разделах «молекулярная физика» и «магнетизм». В аспирантуре читается курс «молекулярная акустика». Обсуждается структура магнитного коллоида, факторы, обеспечивающие агрегативную устойчивость системы, физические свойства и применение.

Ультразвуковой магнитожидкостный интерферометр используется в качестве лекционной демонстрации, сопровождающей темы «Стоячие звуковые волны» и «Физические свойства ферромагнетиков». Эта экспериментальная установка представлялось на Международной школе-семинаре «Физика в системе высшего и среднего образования России» (Москва, МАИ, 2010).

В основе работы магнитожидкостного интерферометра [1] лежит явление индуцирования переменного электрического поля и ЭДС в проводящем контуре при распространении плоской звуковой волны в намагниченной магнитной жидкости, получившее название акустомагнитного эффекта (АМЭ) [2]. В рамках рассматриваемой модели индуцируемая в измерительном контуре ЭДС пропорциональна амплитуде колебаний намагниченности жидкости, обусловленных главным образом колебаниями концентрации наночастиц.

На рисунке 1 приведена блок-схема ультразвукового магнитожидкостного интерферометра. Звуковые колебания частотой 20-70 кГц вводятся в жидкость через плоскопараллельное донышко трубки. Сигнал с генератора звуковых колебаний 1 поступает параллельно на частотомер 2, вольтметр 3 и пьезопластинку 4. Проходя через столбик магнитной жидкости 5 и отражаясь от ее свободной поверхности, звуковой сигнал образует стоячую волну. Сигнал снимается катушкой индуктивности 6, имеющей округлую форму и прилегающую к боковой поверхности трубки. Затем он поступает на селективный усилитель 7, и после усиления - на осциллограф 8 и аналого-цифровой преобразователь 9, соединенный с компьютером 10, фиксирующим амплитуду принимаемого сигнала для последующей обработки. В среде NI LabView осуществляется фильтрация полученного сигнала, разложение его в спектр для контроля уровня помех, определение частоты и амплитуды ЭДС, индуцируемой за счет акустомагнитного эффекта, а также сохранение необходимых данных в формате MS Excel. Катушка индуктивности жестко закреплена на кинематическом узле катетометра 11. Магнитная жидкость заполняет стеклянную трубку 10, находящуюся между полюсами постоянного магнита 12.

В качестве индукционного датчика используется намотка из медного проводника в виде рамки округлой формы. Перемещение датчика вдоль трубки осуществляется при помощи катетометра с точностью 0,01 мм. Участок перемещения захватывает помимо центральной области межполюсного зазора примыкающие к ней области неоднородного поля.

Магнитная жидкость заполняет стеклянную трубку, нижняя часть которой находится между полюсами постоянного магнита. Высота магнитожидкостного столбика 355 мм. Параметры используемой стеклянной трубки: марка стекла - НС-3; модуль Юнга Е = 7,26∙10¹⁰ Па, коэффициент Пуассона 0,21, плотность &#;_t = 2400 кг/м³, скорость продольных волн c_p = 5500 м/с; внешний и внутренний радиусы R₁ = 8 мм, R₂ = 6,9 мм, толщина стенки h = 1,1 мм.

Введение ультразвука в столбик магнитной жидкости осуществляется при помощи акустической ячейки [3], схематически представленной на рисунке 2.

Используемая в экспериментальной установке акустическая ячейка обеспечивает подведение переменной ЭДС к пьезоэлектрической пластинке и ее механическую защиту. Кроме того, конструкция акустической ячейки позволяет фиксировать нижний конец трубки, при помощи резинового уплотнения осуществлять герметизацию заполняемой полости, перед заливкой очередного образца магнитной жидкости без затруднений проводить разборку, чистку и сборку устройства.

Магнитная жидкость 1 заполняет стеклянную трубку 2. Поджимное кольцо 4, крышка 5, корпус 6 изготовлены из немагнитного материала – дюралюминия, скрепляющие винты 3 – из латуни. Генератор звуковых колебаний 7 вырабатывает переменное электрическое напряжение заданной частоты, которое через поджимающую пружину 10 поступает на пьезоэлектрическую пластинку 9. Герметизация заполняемой полости осуществляется при помощи резинового кольца 8, частично утопленного в кольцевую канавку. Нижний конец поджимающей пружины упирается в днище фторопластового стакана 11.

Пьезопластинка поджимается к донышку крышки снизу, поэтому уп­ругие волны в данной конструкции вводятся через тонкое плоскопараллельное донышко крышки в магнитную жидкость, что способствует при соблюдении ограничения R_c&#;0,61&#; возбуждению в системе жидкость–цилиндрическая оболочка нулевых (поршневых) мод колебаний (здесь R_c – радиус трубки, &#; - длина звуковой волны).

Для лучшего прохождения звуковой волны в жидкость зазор между донышком и пьезопластинкой заполняется тонким слоем контактной смазки.

Рассмотрим методику измерения скорости звука [4] в магнитной жидкости, заполняющей трубку, в поперечном неоднородном магнитном поле постоянного магнита на предлагаемой экспериментальной установке.

На некотором расстоянии от дна трубы, не меньшем, чем 3&#;/2, фиксируется максимум амплитуды звуковых колебаний и несколько раз измеряется его координата Z_d. После проведения отсчетов координаты нижнего максимума Z_d каретка катетометра перемещается вверх до некоторого верхнего максимального значения амплитуды ЭДС Z_u, при этом фиксируется число полуволн N между Z_d и Z_u. При использовании осциллографа в режиме внешней синхронизации видна смена фазы на экране при прохождении катушки через узлы стоячей волны. Координата верхнего максимума определяется также несколько раз.

По измеренным значениям координат Z_d и Z_u вычисляется длина волны звука по формуле

λ = 2(Z_u – Z_d)/N (1)

и ее ошибка

, (2)

где ΔZ - среднее квадратичное отклонение значений Z_u и Z_d от средних по выборке.

В случае определения координаты максимума стоячей звуковой волны наблюдается некоторая его размытость, связанная с тем, что синусоида вблизи максимума меняется слабо, а так же играет роль неточность наблюдения на экране осциллографа. Эти факторы вносят наиболее существенный вклад в ошибку измерений. Вследствие этого ошибка существенно превосходит погрешность катетометра.

Затем рассчитывается скорость звука с в магнитной жидкости, заполняющей трубу, по формуле

c = &#;&#;, (3)

где &#; - частота вводимых в систему звуковых колебаний.

Ошибка измерения скорости определялась по формуле вычисления ошибки косвенных измерений:

. (4)

Погрешность определения скорости звука в магнитной жидкости не превосходит 0,5%.

Таким образом, применение ультразвукового магнитожидкостного интерферометра в качестве лекционной демонстрации по физике знакомит студентов с экспериментальной методикой определения скорости распространения звуковых волн в магнитной жидкости при образовании стоячих волн. Предлагаемая экспериментальная установка используется как на этапе изучения общей физики студентами первого и второго курсов, так и при обучении в аспирантуре.

Введение результатов исследований, проводимых на кафедре физики ЮЗГУ, в учебный процесс положительным образом сказывается на качестве подготовки специалистов технических специальностей, стимулирует интерес студентов к научно-исследовательской работе.

Исследования выполнены при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (грант 2011-1.3.2-121-003 - ГК № 14.740.11.1160).

Литература:

1. Дмитриев, И.Е. Акустическая дисперсия в магнитожидкостном интерферометре / И.Е. Дмитриев, В.М. Полунин // Магн. гидродинамика. - 1997. - Т. 33. - № 1. - С. 96-99.

2. Полунин, В.М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях / В.М. Полунин // М: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 208 с.

3. Emelyanov, S. G. The sound speed in the non-uniform magnetized magnetic fluid / S.G. Emelyanov, V.M. Polunin, A.M. Storozhenko [et al.] // Magnetohydrodynamics. – 2011. - V. 47. - № 1. – P. 29-39.

4. Henjes, К. Sound propagation in magnetic fluids / К. Henjes // Phys.Rev. E. - 1994. - V. 50. - №2. - P. 1184-1188.