Предоставляется в ознакомительных и исследовательских целях
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОЛЛОИДНЫХ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание (образец)
Введение 6
Состояние вопроса исследования 15
Глава 1. Магнитная жидкость как система магнитных частиц и ее физико-химические свойства
1.1. Седиментационная устойчивость 19
1.2. Броуновское движение частиц в магнитной жидкости 20
1.3. Статические магнитные свойства и механизмы дезориентации магнитных моментов частиц магнитной жидкости
1.4. Изучение магнитной жидкости с помощью мессбауэровской спектроскопии
1.5. Модели магнитных жидкостей 31
1.6. Влияние агрегирования частиц в магнитной жидкости на ее оптические свойства
1.7. Электрофизические свойства магнитных жидкостей 40 Обоснование цели и постановка задач исследования 44
Глава 2. Объект и методики исследования 48
2.1. Выбор объектов и их физико-химические характеристики 48
2.2. Электронно-микроскопическое определение размеров частиц 54
2.3. Измерение электропроводности магнитных жидкостей 59
2.4. Мессбауэровская спектроскопия как метод определения суперпарамагнетизма коллоидных частиц
2.5. Методика изучения светорассеяния 68
2.6. Методика изучения двойного лучепреломления и дихроизма 75
2.7. Спектральные характеристики коллоидных растворов 91
2.8. Отбор образцов по анизотропии рассеяния света 92
2.9. Исследование спектральной зависимости разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей
2.10. Коагуляция частиц твердой фазы в слабоконцентрированных магнитных жидкостях в магнитном поле, после воздействия электрическим полем
Выводы ко II главе 109
Глава 3. Двулучепреломления магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях
3.1. Ориентационный механизм двулучепреломления в электрическом и магнитном полях
3.2. Компенсация оптической анизотропии в скрещенном электрическом и магнитном полях
Глава 4. Кинетические процессы двулучепреломления и светорассеяния магнитных жидкостей в импульсных электрическом и магнит¬ном полях
4.1. Экспериментальное изучение переходных процессов нарастания и спада оптической анизотропии в магнитных коллоидах
4.2. Изучение кинетики эффекта компенсации в скрещенных электрическом и магнитном полях
4.3. Изучение кинетики светорассеяния в электрическом поле 186
4.4. Исследование динамического рассеяния света по методу автокорреляционной функции
4.5. Агрегаты и кластеры частиц как причина индуцированной оптической анизотропии в магнитных коллоидах
Выводы к IV главе 232
Глава 5. Применение коллоидных растворов магнитных частиц для изучения объемного электрического заряда в жидких диэлектриках
5.1. Использование эффекта Керра для измерения напряженности электрического поля
5.2. Способ измерения напряженности и визуализации распределения электрического поля в жидких диэлектриках, содержащих магнитные коллоидные частицы
5.3. Изучение объемного заряда в жидких диэлектриках 254
5.4. Модель образования объемного заряда в приэлектродном слое ячейки Керра
Выводы к V главе 288
Заключение. Основные результаты и выводы 290
Список литературы 293
📖 Введение (образец)
Исследование таких жидкостей имеет большое теоретическое значение, связанное с решением фундаментальных физико-химических проблем, а также практическое значение, так как оно способствует их применению в машиностроении, приборостроении, электронике, медицине, космической технике и т.д. [24], [31], [37], [271], [287]. Разработка устройств с применением МЖ, основана на взаимодействии их с внешним магнитным полем, воз-действующим на внутреннюю структуру коллоидной системы, и с внешним электрическим полем, воздействующим на защитную стабилизирующую оболочку. Поэтому наряду с разработкой новых применений МЖ ведутся теоретические и экспериментальные исследования их физических и физико-
Существенный вклад в решение этой задачи вносит изучение магнитооптических и электрооптических явлений (двойное лучепреломление, дихроизм, анизотропное рассеяние света) и динамики этих явлений в переменных полях. С точки зрения электро- и магнитооптики, магнитные жидкости представляют собой уникальный объект для исследования, сочетающий такие свойства, как наличие собственного магнитного момента у коллоидных частиц, высокая степень дисперсности при малом отклонении размеров частиц от среднего значения, наличие защитных оболочек на поверхности частиц, образующих структурно-механический барьер, и тенденция частиц к образованию агрегатов и кластеров.
Поэтому весьма актуальными представляются задачи исследования оптическими методами влияния межчастичных взаимодействий, ориечнационных и пространствентых корреляций частиц на свойства магнитных жидкостей, а также процессов, развивающихся в магнитных жидкостях под воздействием электрического и магнитного полей.
Указанные электро- и магнитооптические эффекты могут быть положены в основу применения магнитных жидкостей для оптической дефектоскопии ферромагнитных изделий, изучения топографии магнитных полей и электрических полей сложной конфигурации, модуляции света.
Систематическое и подробное изучение физических свойств МЖ и возможностей их практического применения в реальной практике ведется уже в течение последних 25 лет в Ставропольском государственном университете в рамках созданной профессором В.В. Чекановым научной школы «Физика магнитных жидкостей», сотрудником которой с 1984 года является автор на-стоящей работы.
Наиболее существенными результатами выполненных нашей школой физических исследований свойств магнитных жидкостей относятся экспери-менты по определению особенностей, возникающих при помещении МЖ во внешние магнитные и электрические поля [84-101, 107, 139, 145-146, 192¬201, 242-263, 303-306, 332-448, 691-695, 698-704].
В настоящей диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1984-2004 гг.. Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР на 11 и 12 пятилетки по направлению 1.3 «Физика твердого тела», Постановлением Госкомитета СССР по науке и технике №678 от 21.12.1983 «О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей», Комплексной программой Минвуза РСФСР на 11 пяти-летку и на период до 1990 года по проблеме «Магнитные жидкости», Планами Минобразования Российской Федерации и Ставропольского государственного университета.
Целью настоящей работы является изучение эффектов взаимодействия коллоидных магнитных частиц с электрическим и магнитным полями, которые проявляются в электро- и магнитооптических явлениях (рассеянии света, двойном лучепреломлении, и дихроизме); разработка методов исследования структурно-кинетических процессов, развивающихся в магнитных коллоидных системах при воздействии на них постоянными, переменными и импульсными внешними электрическими и магнитными полями; практическое применение электро-магнитооптических эффектов для измерения напряженностей электрических полей в жидких диэлектриках.
Научная новизна результатов работы диссертации состоит в следующем:
1. Экспериментально и теоретически обнаружены особенности взаимодействия коллоидных магнитных частиц малой концентрации в жидких диэлектриках с внешними электрическим и магнитным полями, которые проявляются в ориентации частиц и их поляризации.
Выяснено, что процессы взаимодействия магнитных частиц представляют собой необычный кинетический фазовый переход, превращающий коллоидный раствор в бинарную систему - агрегаты твердых магнитных частиц и жидкая органическая среда. В результате такого фазового расслоения происходит резкое изменение физических свойств системы: коагуляция, приводящая к потере прозрачности раствора, возникновение объемного заряда, возникновения сильных электрогидродинамических течений и т.д.
2. Корректное изучение электро- и магнитооптических эффектов в системе магнитных коллоидных частиц потребовало создание новых экспериментальных методов, включающих в себя синхронизацию переменных и импульсных электрического и магнитного полей; изменения длительности и импульсов электрического и магнитного полей с целью контроля за процессами агрегации магнитных коллоидных частиц в процессе измерений.
3. Обнаружены и исследованы ранее неизвестные оптические эффекты, возникающие в системе магнитных коллоидных частиц, помещенных в электрическое поле (оптическое светорассеяние, эффект компенсации двойного лучепреломления в скрещенных электрическом и магнитном полях и другие). Следует отметить, что эти эффекты характерны именно для магнитных коллоидных частиц и не имеют аналогов в электро- и магнитоотике обычных дисперсных систем.
4. Экспериментально обнаружен и исследован механизм эффекта двойного лучепреломления при воздействии на систему магнитных коллоидных частиц вследствие наличия в коллоидах самопроизвольно возникающих при разбавлении концентрированных магнитных жидкостей отдельных агрегатов даже в отсутствие внешнего электромагнитного поля.
5. На основе изученного явления компенсации эффектов Керра и Коттона-Мутона в магнитных жидкостях осуществлен новый метод измерения электрической напряженности в отдельных элементах жидкого диэлектрика, содержащего малое количество магнитных коллоидных частиц, выполняющих роль индикатора электрического поля.
Новый способ измерения позволил обнаружить возникновение объемного электрического заряда и определить его локализацию вблизи плоскопараллельных электродов ячейки Керра, заполненной разбавленной магнитной жидкостью.
Предложена теоретическая модель возникновения объемного заряда, основанная на диффузионном движении заряженных магнитных коллоидных частиц.
Научная и практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты исследования взаимодействия магнитных коллоидных частиц с электрическим и магнитным полями внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем электрофизики магнитных коллоидов.
Разработанный способ измерения напряженности и визуализации электрического поля, на который получено свидетельство на изобретение, значительно увеличивает чувствительность и разрешающую способность по сравнению с другими методами измерения напряженности.
Предложенный в диссертационной работе метод получения спектра коэффициентов вращательной диффузии магнитных коллоидных частиц в реальных полидисперсных системах, основанный на релаксации эффекта компенсации оптической анизотропии при совместном действии скрещенных электрического и магнитного полей, дает богатую информацию не только для описания полидисперсности, но и может служить методом изучения сильно неравновесных термодинамических систем.
Полученные экспериментальные данные о величине объемной плотности электрического заряда в постоянном поле в жидких диэлектриках могут быть использованы для проверки разрабатываемых теорий возникновения объемных зарядов, которые в настоящее время носят дискуссионный характер.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Ориентационно-поляризационный механизм светорассеяния, дихроизма и двойного лучепреломления в системе магнитных коллоидных частиц,
2. Электро- и магнитооптический метод изучения суперпарамагнетизма магнитных коллоидных частиц при одновременном воздействии постоянного магнитного и переменного электрического полей, подтвержденный методом мессбауэровской спектроскопии.
3. Комплексные результаты исследования кинетики оптической анизотропии в системе магнитных частиц при выключении внешних электрического и магнитного полей, которые однозначно указывают на существование кластеров частиц, ответственных за возникновение оптической анизотропии.
4. Результаты экспериментального исследования кинетики компенсации эффектов Коттона-Мутона и Керра при выключении одного из компенсирующих полей (электрического или магнитного), на основе которых показана возможность разработки принципиально нового метода изучения полидисперсности магнитных коллоидных частиц.
5. Электро-магнитоотический метод определения вектора напряженности электрического поля в локальном объеме жидкого диэлектрика, содержащего магнитные коллоидные частицы.
6. Теоретическую модель возникновения объемного заряда в приэлектродном слое плоского конденсатора, заполненного жидким диэлектриком, содержащим растворенные в нем наночастицы магнетита. Экспериментально обнаруженную нелинейность в распределении напряженности электрического поля, по которой рассчитана плотность объемного заряда, установлено место его локализации и время образования в случае действия на диэлектрик прямоугольного высоковольтного импульса электрического поля.
Основные результаты и выводы:
1. Экспериментально доказано, что сильно разбавленные коллоидные растворы магнитных частиц магнетита в керосине рассеивают свет по Рэлею,
2. Экспериментально полученные коэффициенты деполяризации света Av и Abв условиях, когда среднее расстояние между частицами на порядок превышает средние размеры самих частиц, могут быть объяснены простой моделью цепочечных кластеров, состоящих из нескольких частиц. Симметрия индикатрисы рассеяния света указывает на отсутствие в коллоиде крупных по сравнению с длиной волны А=638 нм кластеров.
3. Экспериментально доказано, что в случае применения переменных синфазных электрических и магнитных полей к агрегативно устойчивым ансамблям невзаимодействующих между собой частиц в них возникает двуосная оптическая анизотропия, описываемая тензором второго ранга диэлектрической проницаемости ансамбля частиц. При соответствующих значениях напряженностей электрического и магнитного полей эта анизотропия может быть приведена к одноосной, что не имеет аналогов в электрооптике обычных немагнитных коллоидов.
Теоретическая статистическо-ориентационная модель позволила рассчитать по экспериментальным данным средний размер магнитных коллоидных частиц магнетита, который оказался в прекрасном соответствии с данными, полученными методом просвечивающей электронной микроскопии.
4. Методами электромагнитооптики и мессбауровской спектроскопии показано, что частицы феррита кобальта обнаруживают суперпарамагнитные свойства. Сделан вывод, что изучение двойного лучепреломления в постоянном магнитном и переменном электрическом полях может служить способом обнаружения суперпарамагнетизма магнитных коллоидных частиц. На основании выявленного суперпарамагнитного поведения частиц феррита кобальта сделан вывод, что магнитная кристаллографическая анизотропия малых частиц феррита кобальта меньше, чем в массивных образцах за счет влияния сильно развитой поверхности таких наночастиц.
5. Проведенные измерения кинетики двойного лучепреломления в ансамблях магнитных коллоидных частиц магнетита и феррита кобальта в электрическом и магнитном полях позволили оценить коэффициенты вращательной диффузии этих частиц, а по ним оценить средние размеры частиц, ответственных за динамику двойного лучепреломления при выключении полей. Оказалось, что гидродинамические размеры частиц, определенные этим методом, на порядок превышают радиусы частиц, определяемые электронной микроскопией.
6. Методами фотонной корреляционной спектроскопии с помощью вы-численного спектра мощности фототока и автокорреляционной функции рассчитан гидродинамический диаметр частиц, ответственных за статическое рэлеевское рассеяние света, который оказался в хорошем согласии с нашими результатами кинетики двойного лучепреломления в импульсных электрическом и магнитном полях.
7. Проведенные исследования структурных изменений в ансамблях магнитных коллоидных частиц, помещенных в постоянное электрическое поле, методом измерения спектров мощности фототока и автокорреляционной функции позволили сделать вывод о том, что в постоянном электрическом поле стабильность магнитной жидкости нарушается и частицы объединяются в кластеры микронных размеров.
8. На основе проведенных исследований двулучепреломления в скрещенных электрическом и магнитном полях предложен и экспериментально проверен способ измерения напряженности и визуализации распределения электрического поля в жидких диэлектриках, содержащих магнитные частицы в очень малых концентрациях (10-3 объемных процентов). Способ заключается в заполнении исследуемого объема коллоидным раствором магнитных частиц и воздействии на него магнитным полем, величина напряженности электрического поля определяется по величине напряженности магнитного поля, компенсирующего оптическую анизотропию, вызванную электрическим полем.
9. С помощью этого метода произведено измерение напряженностей однородных и неоднородных электрических полей, а также обнаружено образование объемного электрического заряда в плоском конденсаторе с магнитным коллоидом. Произведена оценка величины объемной плотности заряда в постоянном электрическом поле, а также экспериментально определено время образования объемного заряда и место его локализации.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на IV Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям (г. Иваново, 1985), на III Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (г. Ставрополь, 1986, на кафедре магнетизма МГУ им. М.В. Ломоносова (1987), на IV Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (г. Душанбе, 1988), 5th International Conference on Magnetic Fluids (Salaspils, 1989), на V Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (г. Пермь, 1990), VI Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям (г. Москва, 1991), на III Всероссийском симпозиуме «Ма-тематические и компьютерные технологии» (г. Кисловодск, 1999), на IV Все-российской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (г. Нижний Новгород, 1999), на Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (г. Ставрополь, 2000), на 9th International Conference on Magnetic Fluid (Bremen, 2001), 9ой и 10ой Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям (г. Плес, 2000, 2001), на Moscow International Symposium on Magnetism (MSU, 2002), на International Workshop on Recent Advances in Nanotechnology of Magnetic Fluids (New Delhi, 2003), на International Sympo-sium on Advanced Magnetic Materials (Tokyo, 2003), на VII Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2003).
По теме диссертации опубликовано 49 работ, получено авторское свидетельство на изобретение.
✅ Заключение (образец)
2. Экспериментально полученные коэффициенты деполяризации света Av и Ahв условиях, когда среднее расстояние между частицами на порядок превышает средние размеры самих частиц, могут быть объяснены простой моде-лью цепочечных кластеров, состоящих из нескольких частиц. Симметрия индикатрисы рассеяния света указывает на отсутствие в коллоиде крупных по сравнению с длиной волны Х=632,8 нм кластеров.
3. Экспериментально доказано, что в случае применения переменных синфазных электрических и магнитных полей к агрегативно устойчивым ансамблям невзаимодействующих между собой частиц, в них возникает двуосная оптическая анизотропия, описываемая тензором второго ранга диэлектрической проницаемости ансамбля частиц. При соответствующих значениях напряженностей электрического и магнитного полей эта анизотропия может быть приведена к одноосной, что не имеет аналогов в электрооптике обычных немагнитных коллоидов.
Теоретическая статистическо-ориентационная модель позволила рассчитать по экспериментальным данным средний размер магнитных коллоидных частиц магнетита, который оказался в прекрасном соответствии с данными, полученными методом просвечивающей электронной микроскопии.
4. Методами электромагнитооптики и мессбауровской спектроскопии показано, что частицы феррита кобальта обнаруживают суперпарамагнитные свойства. Сделан вывод, что изучение двойного лучепреломления в постоянном магнитном и переменном электрическом полях может служить способом обнаружения суперпарамагнетизма магнитных коллоидных частиц. На основании выявленного суперпарамагнитного поведения частиц феррита кобальта сделан вывод, что магнитная кристаллографическая анизотропия малых частиц феррита кобальта меньше, чем в массивных образцах за счет влияния сильно развитой поверхности таких наночастиц.
5. Проведенные измерения кинетики двойного лучепреломления в ансамблях магнитных коллоидных частиц магнетита и феррита кобальта в электрическом и магнитном полях позволили оценить коэффициенты вращательной диффузии этих частиц, а по ним оценить средние размеры частиц, ответственных за динамику двойного лучепреломления при выключении полей. Оказалось, что гидродинамические размеры частиц, определенные этим методом, на порядок превышают радиусы частиц, определяемые электронной микроскопией.
6. Методами фотонной корреляционной спектроскопии с помощью вы-численного спектра мощности фототока и автокорреляционной функции рассчитан гидродинамический диаметр частиц, ответственных за статическое рэлеевское рассеяние света, который оказался в хорошем согласии с нашими результатами кинетики двойного лучепреломления в импульсных электрическом и магнитном полях.
7. Проведенные исследования структурных изменений в ансамблях магнитных коллоидных частиц, помещенных в постоянное электрическое поле, методом измерения спектров мощности фототока и автокорреляционной функции позволили сделать вывод о том, что в постоянном электрическом поле стабильность магнитной жидкости нарушается и частицы объединяются в кластеры микронных размеров.
8. На основе проведенных исследований двулучепреломления в скрещенных электрическом и магнитном полях предложен и экспериментально проверен способ измерения напряженности и визуализации распределения электрического поля в жидких диэлектриках, содержащих магнитные частицы в очень малых концентрациях (р=10-5). Способ заключается в заполнении исследуемого объема коллоидным раствором магнитных частиц
9. С помощью этого метода произведено измерение напряженностей однородных и неоднородных электрических полей, а также обнаружено образование объемного электрического заряда в плоском конденсаторе с магнитным коллоидом. Произведена оценка величины объемной плотности заряда в постоянном электрическом поле, а также экспериментально определено время образования объемного заряда и место его локализации.



