ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10
1.1. Природа магнитных жидкостей 10
1.2. Взаимодействие частиц и представления о фазовых переходах в
магнитных жидкостях 17
1.3 . Концентрационные структурные образования в тонких слоях
магнитной жидкости и связанные с ними оптические эффекты 24
1.4. Электрофизические свойства магнитных жидкостей 33
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 42
2.1. Объект исследования 42
2.2. Методика и техника исследования структурных превращений
магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях 46
2.3. Методика исследования намагниченности магнитных жидкостей 53
2.4. Методика определения диэлектрической проницаемости магнитной
жидкости 57
ГЛАВА 3. МИКРОКАПЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ; ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ МИКРОКАПЕЛЬНЫХ
АГРЕГАТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. 62
3.1. Магнитная жидкость с микрокапельными агрегатами 62
3.2. Особенности деформации микрокапельных агрегатов, содержащихся
в магнитной жидкости при воздействии электрического поля 64
3.3. Особенности деформации микрокапель при одновременном
воздействии электрического и магнитного полей 75
3.4. Развитие колебательной неустойчивости деформированных капель 80
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕТОК В ТОНКИХ СЛОЯХ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ
4.1. Фазовый переход в магнитных жидкостях в постоянном
электрическом поле 86
4.2. Структурные превращения в двухфазной магнитной жидкости в
переменном электрическом поле 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 124
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию высокодисперсных 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 сильно¬концентрированную 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.
В заключении сформулируем основные результаты и выводы диссертационной работы.
1. В результате систематического исследования особенностей деформации микрокапли магнитной жидкости в переменном электрическом поле, установлено, что кривые зависимости величины деформации от температуры при низких и высоких частотах имеют различный характер, на основании чего сделан вывод о различии механизмов деформации в этих случаях. Изучение процессов компенсации деформации микрокапли, обусловленной воздействием как низкочастотного, так и высокочастотного электрического поля с помощью дополнительного воздействия постоянным магнитным полем в широком температурном интервале показало, что условия компенсации при низких и высоких частотах различным образом изменяются при повышении температуры, согласно сделанному выводу о различии механизмов деформации капли при частотах выше и ниже критической частоты. При использовании энергетического подхода проведен анализ условия компенсации деформации капли, вызванной высокочастотным электрическим полем с помощью перпендикулярно направленного электрическому магнитного поля.
2. Обнаружено, что, как и предсказывалось ранее в теоретических работах, при повышении напряженности электрического поля развивается колебательная неустойчивость формы капли. Исследование влияния на характер этой неустойчивости дополнительного воздействия постоянного магнитного поля показало, что в некоторых случаях неустойчивость приобретает вращательный характер.
3. С помощью явления светорассеяния исследовано возникновение структурных образований в приэлектродном слое в постоянном электрическом поле. На основании результатов исследования этого процесса при изменении температуры и дополнительного воздействия постоянного магнитного поля, сделан вывод о возможности его интерпретации как фазового перехода типа конденсации.
4. В результате изучения формы структурных образований в приэлектродных слоях в электрическом поле, обнаружено, что первоначально образующиеся микрокапли в дальнейшем могут формировать регулярную структурную решетку лабиринтного или полосчатого типа в зависимости от условий эксперимента. Показано, что размерным фактором сформировавшейся в электрическом поле решетки возможно управлять с помощью дополнительного воздействия магнитным полем.
5. При исследовании формирования структурных решеток под воздействием переменного электрического поля в тонких слоях магнитной жидкости, предварительно расслоенной на сильно- и слабоконцентрированную фазы, установлено, что в зависимости от частоты электрического поля возможно формирование как лабиринтной, так и гексагональной структуры. Изучены особенности трансформации структурных решеток, полученных в переменном электрическом поле при дополнительном воздействии постоянного магнитного поля. На основе модельных представлений проведено обсуждение полученных результатов.
6. На основе результатов исследования дифракции света на полученных регулярных решетках, показано, что при совместном действии низкочастотного электрического и постоянного магнитного полей возможно создание управляемой полосовой дифракционной решетки. Сделан вывод о возможности применения изученного явления в приборостроении.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
