Список основных обозначений и аббревиатур 4
Введение 6
Состояние вопроса исследования 15
Глава 1. Магнитная жидкость как система магнитных частиц и ее фи- 19 зико-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 суперпара-магнетизма 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 112 и магнитном полях
3.1. Ориентационный механизм двулучепреломления в электрическом и 112 магнитном полях
3.2. Компенсация оптической анизотропии в скрещенном электрическом и 129 магнитном полях
3.3. Взаимодействие магнитных коллоидных частиц с постоянным магнитным и переменным электрическим полями
Выводы к III главе 154
Глава 4. Кинетические процессы двулучепреломления и светорассеяния магнитных жидкостей в импульсных электрическом и магнит¬ном полях
4.1. Экспериментальное изучение переходных процессов нарастания и 156 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 автокоррляционной функции
4.5. Агрегаты и кластеры частиц как причина индуцированной оптической 215 анизотропии в магнитных коллоидах
Выводы к IV главе 232
Глава 5. Применение коллоидных растворов магнитных частиц для 235 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 245 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 259 Керра
Выводы к V главе 288
Заключение. Основные результаты и выводы 290
Список литературы 293
Актуальность работы. Во второй половине прошлого века были синтезированы коллоидные растворы магнитных материалов, которые впоследствии получили название «магнитные жидкости (Magnetic fluids)» [288]. Магнитные жидкости (МЖ) - ультрадисперсные (со средним диаметром dcp ~ 10 нм) устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. В качестве дисперсной фазы используют малые частицы таких металлов как железо, кобальт, никель, гадолиний, их разнообразные ферриты, ферромагнитные окислы. Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного диполь-дипольного и вандерваальсовского взаимодействий и последующего укрупнения частиц, в качестве стабилизаторов применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ) типа олеиновой кислоты. Адсорбируясь на поверхности микрокристаллических дисперсных частиц ПАВ образуют защитную оболочку, представляющую из себя своеобразный структурно¬механический барьер [71]. Вследствие малого размера частиц МЖ она не расслаивается и сохраняeт свою однородность практически неограниченное время.
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, воздействующим 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-химических характеристик, которые, в свою очередь, определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием с внешними электрическими и магнитными полями.
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, ориентационных и пространственных 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 настоящей работы.Наиболее существенными результатами выполненных нашей школой физических исследований свойств магнитных жидкостей относятся эксперименты 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].
1. Экспериментально доказано, что сильно разбавленные коллоидные растворы магнитных частиц магнетита в керосине рассеивают свет по Рэлею, т.е. 1 , без воздействия внешнего электромагнитного поля. Сделан вывод,
I ~ —
рас у*
что к таки системам применимы законы классической теории рассеяния света (приближение Рэлея-Дебая-Ганса)
2. Экспериментально полученные коэффициенты деполяризации света ду и дн в 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 1=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.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
