Работа посвящена исследованию высоко дисперсных коллоидов ферромагнетиков («магнитных жидкостей»), до настоящего времени остающихся объектом, привлекающим широкий интерес исследователей. Внимание к магнитным жидкостям объясняется не только возможностью их практического применения, но и возникновением целого ряда физических проблем, касающихся только таких сред. Благодаря уникальному сочетанию магнитными жидкостями текучести и способности взаимодействовать с магнитным полем, они обладают оригинальными магнитомеханическими, термомагнитными, магнито- и электрооптическими свойствами, исследованию которых посвящено достаточно большое количество работ. Наблюдающиеся в магнитных жидкостях эффекты во многом определяются свойствами дисперсных частиц, их диполь-дипольным взаимодействием и связанным с ним структурным состоянием системы. Ряд особенностей свойств магнитных жидкостей связан с наличием в магнитных жидкостях системы агрегатов определенного типа. Появление агрегатов в магнитных жидкостях, как правило, связывается с проявлением магнитодипольного взаимодействия между однодоменными дисперсными частицами и воздействием магнитных полей. Вместе с тем, на структурное состояние магнитных коллоидов существенное влияние могут оказывать также и электрические поля. При этом, наиболее интересные эффекты по-видимому могут возникать в достаточно тонких слоях магнитных коллоидов, где велико влияние двойных электрических слоев, образующихся у электродов. Кроме того, действие электрического поля может приводить к возникновению электрогидродинамической неустойчивости, изменению, вследствие этого, структурного состояния системы, что в свою очередь может оказать существенное влияние на физические свойства магнитных коллоидов. В связи с этим, в настоящее время актуальными являются исследования процессов возникновения и трансформации в магнитных
коллоидах структурных образований (агрегатов) и организации их в структурные решетки, а также оптических эффектов, возникающих в этих случаях. При этом несомненный интерес представляет исследование таких процессов при воздействии электрического и совместно действующих электрического и магнитного полей. Результаты исследования в этом направлении могли бы внести существенный вклад в развитие физики магнитных коллоидов, выявить ряд особенностей взаимодействия таких сред с электромагнитным полем.
Целью настоящей работы является изучение структурной организации в тонких слоях магнитных коллоидов при воздействии на них электрического и магнитного полей.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Впервые экспериментально обнаружено возникновение лабиринтной и полосчатой структуры в тонких слоях в первоначально "однородных" магнитных жидкостях при воздействии электрического поля. Показана возможность управлением такими структурными решетками дополнительным воздействием магнитного поля.
Впервые изучено образование периодических структурных решеток в тонких слоях первоначально расслоенной на две фазы магнитной жидкости в переменном электрическом поле. Показано, что одновременное действие на такие среды переменным электрическим и постоянным магнитным полями позволяет создавать управляемые дифракционные системы.
Обнаружена и экспериментально исследована колебательная неустойчивость формы микрокапли магнитной жидкости в переменном электрическом поле при дополнительном воздействии магнитного поля.
Получены также новые результаты при исследовании особенностей компенсации деформации формы микрокапли, вызванной переменным электрическим полем с помощью дополнительного воздействия магнитным полем в широких температурном и частотном интервалах.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования возникновения периодических структурных решеток в магнитных жидкостях при воздействии электрического поля, их трансформации при изменении величины напряженности поля и его частоты, а также дополнительного воздействия магнитным полем внесли определенный вклад в развитие физики магнитных коллоидов.
Обнаруженные и исследованные дифракционные эффекты в электрическом поле, а так же при совместном действии электрического и магнитного полей могут служить основой для создания устройств управления световыми потоками и управляемых дифракционных систем.
Автор защищает:
- вывод о возможности фазового перехода в тонких слоях магнитных жидкостях в электрическом поле и особенности влияния на него изменения температуры и дополнительного действия магнитного поля;
- обнаруженный эффект возникновения в первоначально однородной магнитной жидкости лабиринтной и полосчатой структурной решетки в результате действия постоянного электрического поля;
- экспериментально обнаруженное явление возникновения и трансформации регулярных структурных решеток в тонких слоях магнитной жидкости, расслоенной на слабо- и сильноконцентрированную фазы при воздействии на нее переменного электрического поля, а также эффекты их трансформации при изменении частоты, температуры и дополнительного воздействия магнитного поля;
- обнаруженные дифракционные эффекты обусловленные наблюдаемыми структурными решетками;
- экспериментально обнаруженные особенности деформационных эффектов микрокапельного агрегата при совместном действии переменного электрического и постоянного магнитного полей, а так же особенности
возникновения колебательной неустойчивости его формы и влияния на ее характер дополнительного воздействия магнитного поля.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 162 наименования. Материал диссертации содержит 140 страниц, 41 рисунок.
Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных физике магнитных жидкостей. Обращено внимание на работы, в которых рассматриваемые процессы образования агрегатов в магнитных коллоидах трактуются как фазовые переходы, указывается на возможность структурных изменений не только в магнитных, но и в электрических полях. Рассмотрены также работы, в которых исследуется образование микрокапельных агрегатов и их поведение в силовых полях, а также формирование периодических структурных решеток в тонких слоях магнитных жидкостей при воздействии на них магнитных полей. Кроме этого, проведен анализ ряда работ посвященных электрофизическим свойствам магнитных жидкостей, в частности, содержащих информацию о формировании объемного заряда и слоя с повышенной концентрацией дисперсных частиц в приэлектродном пространстве. Рассмотрены также работы, посвященные образованию структуры в тонких слоях магнитной жидкости при воздействии электрического поля. Глава закончена анализом проведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертации.
Во второй главе описан объект исследования, методы и установки для исследования структуры и оптических свойств магнитных жидкостей при воздействии на них постоянных и переменных электрических полей, а также при совместном действии электрического и магнитного полей. Описаны также методы и установки для контроля параметров исследуемых образцов -
объемной концентрации, диэлектрической проницаемости, удельной проводимости и намагниченности насыщения.
В третьей главе приведены результаты исследования поведения микрокапли магнитной жидкости в переменном электрическом поле. Показано, что, несмотря на разный характер деформации в низкочастотном и высокочастотном диапазоне (при низких частотах капля сплющивается, при высоких - вытягивается вдоль силовых линий поля) в обоих случаях возможна компенсация деформационного эффекта с помощью дополнительного воздействия магнитным полем. При этом различие механизмов деформации проявляется при температурных исследованиях компенсационного эффекта. Обнаружено, что при низких частотах (20 - 60 Гц) повышение напряженности электрического поля приводит к развитию колебательной неустойчивости формы капли. Установлено, что дополнительное воздействие магнитного поля приводит к переходу колебательной неустойчивости во вращательную.
Четвертая глава посвящена исследованию процессов формирования структурных решеток в постоянном и переменном электрическом полях, а также особенностям их трансформации при дополнительном воздействии постоянным магнитным полем. Обнаружено, что воздействие электрического поля на первоначально однородную магнитную жидкость на основе керосина приводит к формированию в тонком слое лабиринтной структуры, на характер которой существенное влияние оказывает температура, а также магнитное и гравитационное поля. Исследована дифракция света на сформировавшихся в электрическом поле регулярных структурных решетках.
Изучены структурные превращения в электрическом поле, в тонких слоях магнитной жидкости расслоенной на слабо- и сильноконцентрированную фазы. Обнаружено возникновение в этом случае лабиринтной и гексагональной структурных решеток в зависимости от частоты и напряженности переменного электрического поля. Показано, что
при дополнительном воздействии на полученную структуру в таких магнитных жидкостях магнитного поля возможно создание управляемых полосчатых дифракционных решеток. Проведен анализ наблюдаемых явлений.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 . Природа магнитных жидкостей
Магнитные жидкости (МЖ) - стабилизированные коллоидные растворы ферромагнетиков в некоторой жидкости - носителе, их магнитные свойства определяются содержанием твердой магнитной составляющей, которая может достигать 25 объёмных процентов. МЖ представляют собой взвесь однодоменных микрочастиц ферро- и ферримагнетиков в жидкой немагнитной среде (керосине, воде, толуоле, минеральных и кремнийорганических маслах и т. п.). В качестве твердого магнетика используется высокодисперсное железо, ферромагнитные окислы Fe2O3, Fe3O4, ферриты никеля, кобальта. Дисперсные частицы, вследствие малости их размеров (около 10 нм), находятся в интенсивном тепловом движении. Агрегативная устойчивость коллоидных систем с магнитными частицами обеспечивается адсорбционными слоями, препятствующими сближению частиц на такие расстояния, при которых энергия притяжения становится больше, чем разупорядочивающая энергия теплового движения. Для создания адсорбционных слоев, препятствующих укрупнению частиц вследствие их слипания, в коллоид вводится определенное количество стабилизатора - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Как правило, в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных органических молекул, которые и создают на поверхности дисперсных частиц адсорбционно-сольватные слои. В магнитных жидкостях в качестве стабилизатора чаще всего используется олеиновая кислота. Вследствие достаточно большого магнитного момента однодоменных частиц по сравнению с атомными моментами магнитная восприимчивость ферроколлоидов в десятки тысяч раз выше, чем естественных жидких магнетиков. Намагниченность насыщения концентрированных магнитных жидкостей может достигать 100 кА/м в магнитных полях напряженностью
105 А/м при сохранении текучести МЖ. Ее величина зависит от размера частиц и их объемной концентрации. Однако, увеличение размера частиц ограниченно из-за возможности слипания частиц за счет их большого магнитного момента или нарушения условия однодоменности. Поэтому, в устойчивых коллоидах обычно размер частиц не превышает 10-15 нм.
Наиболее распространенной магнитной жидкостью является МЖ типа магнетит в керосине с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Впервые методика получения стабилизированного коллоидного раствора магнетита была предложена В.Элмором [1]. В последнее время такие жидкости получают методом конденсации при осаждении магнетита щелочью из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа. Подробное описание большинства подобных методик приведено в работе [2]. В результате использования таких методик получают МЖ, вязкость которой при намагниченности насыщения 50-60 кА/м может быть сравнима с вязкостью воды. Полидисперсность магнетитовых частиц, полученных описанным способом, определяется колоколообразной функцией распределения частиц с шириной распределения порядка среднего размера частиц (10 нм). В столь малых частицах при сохранении в них самопроизвольной намагниченности возрастает вероятность тепловых флуктуаций магнитного момента [3]. В результате этого возможна хаотическая переориентация момента частицы относительно ее |
