Возмущение магнитного поля на границе звукового пучка в намагниченной магнитной жидкости

Танцюра, Антон Олегович

Возмущение магнитного поля на границе звукового пучка в намагниченной магнитной жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Танцюра, Антон Олегович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Возмущение магнитного поля на границе звукового пучка в намагниченной магнитной жидкости»

Автореферат диссертации на тему "Возмущение магнитного поля на границе звукового пучка в намагниченной магнитной жидкости"

На правах рукописи

Тамлцорь №

Танцюря Антон Олегович

ВОЗМУЩЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ГРАНИЦЕ ЗВУКОВОГО ПУЧКА В НАМАГНИЧЕННОЙ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

з 1 ос т т

КУРСК 2013

005536799

На правах рукописи Тсисцюрл ДО

Танцюра Антон Олегович

ВОЗМУЩЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ГРАНИЦЕ ЗВУКОВОГО ПУЧКА В НАМАГНИЧЕННОЙ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КУРСК 2013

Работа выполнена на кафедре нанотехнологнй и инженерной физики

Юго-Западного государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

Полунин Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: Постников Евгений Борисович

доктор физико-математических наук, доцент, Курский государственный университет, профессор кафедры физики и нанотехнологнй

Ерин Константин Валерьевич

доктор физико-математических наук, доцент, Северо-Кавказский федеральный университет, профессор кафедры общей физики

Ведущая организация: Институт механики сплошных сред Уральского

отделения Российской академии наук, лаборатория динамики дисперсных систем

Защита состоится 21 ноября 2013 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, аудитория Г-8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан 4 8 октября 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

Рослякова Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферри-магнитных частиц нанометров ых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в дисперсионной среде, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода.

При распространение звуковых колебаний в намагниченной МЖ, излучаются электромагнитные волны. Это явление принято называть акустомагнитным эффектом (АМЭ) в магнитной жидкости. Наиболее полно этот эффект описывается моделью, носящей название концентрационной.

Анализ зависимости относительной амплитуды ЭДС, индуцируемой за счет АМЭ, от напряженности магнитного поля является перспективным методом исследования геометрических и магнитных параметров наночастиц МЖ. Эта зависимость может также применяться для исследования специфического динамического размагничивающего поля, возникающего в результате распространения звуковой волны в столбике с магнитным коллоидом.

Помимо решения «чисто измерительных» задач акусто гранулометрия нанодисперсных магнитных жидкостей может быть полезна при решении глубинных физических вопросов, посвященных исследованию квантовых ограничений (минимальные размеры доменов) и изучению особых физических свойств наноразмерных кристаллов (магнитострикция однодоменной наноразмерной частицы, термо- и барозависимосгь ее магнитного момента) [1].

Хотя АМЭ был установлен несколько десятилетий назад (Полунин В.М. Релаксация намагниченности и распространение звука в магнитной жидкости // Акустический журнал. 1983. Т. 29. № 6. С. 820-823), физическая природа эффекта остается недостаточно исследованной, что затрудняет интерпретацию получаемых на его основе результатов, ограничивая возможности применения этого уникального эффекта в науке и технике.

Актуальность диссертационной работы связана также с тем, что проводимые исследования позволяют оценить вклад тепловой релаксации намагниченности в акустомагнитном эффекте и дают возможность определять

размеры наночастиц крупной и мелкой фракции магнитного коллоида.

- Исследовать влияние МЖ на резонансные свойства входного колебательного контура и провести измерения зависимости величины АМЭ от напряженности магнитного поля на шести образцах МЖ с различной дисперсной средой в диапазоне частот 20-60 кГц.

- Проанализировать данные по полевой зависимости АМЭ на начальном участке и в области магнитного насыщения на предмет проявления тепловой релаксации магнитного момента наночастиц дисперсной фазы.

- Определить экспериментальные и расчетные значения отношения тангенсов углов наклона начальных участков кривой намагничивания и акустомагнигного эффекта для исследуемых МЖ и проанализировать их на основе концентрационной модели;

- Предложить усовершенствованную теоретическую модель для расчета частотной зависимости динамического размагничивающего фактора и разработать методику его экспериментального определения;

- Провести сравнение результатов магнитогранулометрического и акусто-гранулометрического методов определения размеров магнитных наночастиц крупной фракции дисперсной фазы МЖ с использованием экспериментальных данных для динамического размагничивающего фактора;

- Разработать усовершенствованную методику обработки данных полевой зависимости АМЭ для определения магнитных и геометрических параметров наиболее мелкой фракции наночастиц и получить результаты на ее основе.

Объектом исследования являются шесть образцов магнитных жидкостей с различными дисперсными средами: синтетическое и минеральное углеводородное масло, кремнеорганические жидкости (ПЭС-2 и ПЭС-4), керосин. Предмет исследования - физическая природа акустомагнитного эффекта и его особенности.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Экспериментально, по отношению тангенсов углов наклона начальных участков кривых намагничивания и акустомагнитного эффекта, установлен факт отсутствия полной тепловой релаксации намагниченности в акустомагнитном эффекте в области слабых магнитных полей, в диапазоне частот 20 - 60 кГц.

2. Методика экспериментального определения динамического размагничивающего фактора, полученные результаты и сопоставление выводов модельной теории с экспериментом.

3. Получено аналитическое выражение для тангенса угла наклона конечного участка кривой акустомагнитного эффекта, учитывающее тепловую релаксацию намагниченности в окрестности магнитного насыщения, и проведено сравнение его с экспериментальными данными. Предложена усовершенствованная методика оценки размеров наночастиц мелкой фракции дисперсной системы.

Научная новизна результатов исследования;

1. Анализ экспериментальных данных отношения тангенсов углов наклона начальных участков кривых намагничивания и акустомагнитного эффекта на основе теоретической концентрационной модели, показывающий отсутствие полной тепловой релаксации намагниченности.

2. Методика экспериментального определения динамического размагничивающего фактора, позволяющая получать данные для расширения возможностей аку сто гранулометрии и проверки физической адекватности модельных теорий.

3. Экспериментальные данные конечного участка кривой акустомагнитного эффекта для МЖ на основе дисперсионных сред с различными временами тепловой релаксации намагниченности и усовершенствованная методика обработки этих результатов для определения размеров наночастиц мелкой фракции.

Практическая и теоретическая значимость работы.

Расширение концентрационной модели АМЭ позволяет более полно описать физические процессы, приводящие к акустомагнитному эффекту, дать

интерпретацию получаемых на основе АМЭ результатов. Соответствие теоретических и экспериментальных значений динамического размагничивающего фактора служит дополнительным подтверждением физической обоснованности модельной теории, а также дает возможность оценки размеров частиц крупной фрахции. Разрабатываемая усовершенствованная методика обработки данных позволяет делать более точную оценку размеров магнитных наночастиц мелкой фракции дисперсной системы.

Результаты диссертационного исследования применяются в научных исследованиях, проводимых в рамках ФЦП (грант 2011-1.3.2-121-003 - ПС № 14.740.11.1160, Соглашения № 14.В37.21.0906), и используются в учебных целях (справка о внедрении в учебный процесс).

Достоверность проведенных экспериментальных исследований подтверждается применением поверенной измерительной техники; оценкой погрешности измерений; совпадением данных множества независимых экспериментов, проведенных на одних и тех же образцах; согласованием данных, полученных различными методами.

Личный вклад автора. Выполнены экспериментальные исследования, проведено сравнение полученных данных с теоретическими зависимостями, показавшее физическую обоснованность концентрационной модели АМЭ; разработаны методики расчета и на их основе вычислены значения динамического размагничивающего фактора и физических параметров крупных и мелких ферромагнитных частиц МЖ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование нанодисперсной магнитной жидкости и особенностей наблюдаемого в ней акустомагнитного эффекта. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2 и 6 паспорта специальности.

Апробация результатов исследования. П Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2010); Ш Всероссийской научной конференции «Физико-химические и

прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011); 15-й Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям (Плес, 2012); VII Всероссийской школе- конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (Иваново, 2012); ХШ Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2012); Ш Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012); ХУШ Зимней школе по механике сплошных сред, (Пермь, 2013); Международной молодежной конференции «Будущее науки 2013» (Курск 2013); IV Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2013).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 16 работах, из них 7 - в ведущих рецензируемых журналах.

Стпуктуря диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников; изложена на 131 странице, содержит 86 рисунков, 9 таблиц и 103 наименований использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, задачи и основные положения, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 представлен краткий обзор опубликованных ранее работ по исследуемой тематике. Рассмотрены общие сведения о МЖ, способах их получения. Особое внимание уделено магнитным и акустические свойства МЖ. Рассмотрены современные методы исследования магнитных коллоидов. На основании представленного литературного обзора обоснованы цель и задачи исследования.

В главе 2 описаны методики и экспериментальные установки для исследования полевой зависимости АМЭ, измерения скорости распространения звука в МЖ и магнитогранулометрического (МГМ) анализа.

Измерительный участок экспериментальной установки для исследования

<8> п

О 5 ®

-У

АМЭ схематически представлен на рис. 1.

МЖ 1 заполняет стеклянную трубку 2, к донышку которой прижата

пьезопластинка 3, возбуждающая звуковые волны. Силовые линии внешнего

магнитного поля, показанные крестиками в 4

кружках, проходят перпендикулярно оси

трубки. Верхняя поверхность МЖ

принудительно стабилизируется пленкой 4.

Для приема переменной ЭДС используется

измерительная катушка индуктивности 5.

Измерительная катушка имеет округлую

форму и непосредственно прилегает к

внешней стенке трубки. Измерительная

катушка индуктивности и входная емкость

Рис. 1. Измерительный участок приемника-усилителя 6, соединенные экспериментальной установки

последовательно, образуют входной колебательный контур. В этой работе впервые исследовалось влияние эффективной восприимчивости, привносимой магнетиком на резонансные свойства входного колебательного контура. Привносимую магнетиком «эффективную» восприимчивость Хс£Г затруднительно рассчитать. Однако можно воспользоваться пропорциональной зависимостью Ь~(1+хе£Г), что позволяет установить значение Хаг экспериментально из соотношения /Уе =^1/(1+^), где V/ - резонансная

частота при измерениях в магнитном поле и с МЖ, - резонансная частота при измерениях без магнитного поля и без МЖ. Установлено, что диапазон частот для исследования АМЭ (20 - 60 кГц) находится вдали от резонанса и лежит на почти пологом участке левой ветви амплитудно-частотной характеристики.

В главе 3 представлены данные экспериментального исследования физических параметров исследуемых образцов МЖ. В качестве дисперсионной среды для образцов №54 и №56 выступает синтетическое и минеральное углеводородное масло соответственно, для образцов №55 и №56 - ПЭС-2 и ПЭС-4, для образцов №58 и МБ-З - керосин. В качестве дисперсной фазы использовался магнетит, в качестве ПАВ - олеиновая кислота. Образцы №54-58

любезно предоставлены проблемной научно-исследовательской лабораторией прикладной феррогидродинамики ИГЭУ.

Физические параметры исследуемых образцов МЖ представлены в табл. 1. (р - плотность, ф - объемная концентрация твердой фазы, фм - объемная концентрация магнитной фазы, х - начальная магнитная восприимчивость, М! -намагниченность насыщения, с - скорость звука в системе «МЖ - стеклянная трубка», »1 - пластическая вязкость).

Таблица 1

Образцы р, кг/м3 Ф,% Фм, % г М„ кА/м с, м/с П (Пас)

№54 1290 10,4 8,3 2,4 34,0 1024 1,110

№55 1385 10,3 8,3 2,5 34,0 930 0,125

№56 1282 10,3 8,2 2,6 34,0 1005 0,368

№57 1405 10,2 8,2 2,6 34,0 954 0,630

№58 1252 10,2 8,1 2,8 35,0 937 0,012

МБ-3 1964 25,6 20,4 9,7 91,0 811 -

Для всех образцов МЖ получены зависимости относительной амплитуды АМЭ от величины магнитного поля в диапазоне частот 20-60 кГц. На рис. 2 эти данные представлены для частот от 38 до 38,5 кГц. Кривую АМЭ по величине 1

магнитного поля можно условно разбить на три участка: начальный участок, область «умеренных» 0,6 магнитных полей (в ней Эх/ЭН<0) 0)4. и окрестность магнитного насыщения МЖ.

В главе 4 проведен анализ о* экспериментальных данных и дана теоретическая интерпретация зависимости относительной амплитуды АМЭ от величины напряженности магнитного поля, полученная с использованием концентрационной модели намагничивания МЖ, учитывающей процесс тепловой релаксации намагниченности МЖ. Получена формула для описания амплитуды колебаний намагниченности МЖ АМ в относительных единицах р^ДМ/ДМ^:

Н, кА/м

100 200 300 400 500 600 Рис. 2. Кривые АМЭ дл* образцов №54-58 на частотах от 38 до 38,5 кГц

\-kXr-S sh-4icthS-rY ,

•(1+(<уг)Т, (1)

где 4 = ^пкН/к0Т; к'=дс2С;1;к' = ^рх>пт?/к0Т = М<1/1аМ5т./к0Т, со -круговая частота; т = тх (1 + ЫЛМИ)"'; т! - время релаксации по [2]; <7= -р 'Эр/ЭГ - температурный коэффициент; с- скорость распространения звука в МЖ в отсутствие магнитного поля; Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении и постоянной напряженности магнитного поля; пи -магнитный момент наночасгицы; ¿/0=4я-10"7 Гн/м; ¿0=1,38-10 23 Дж-К"1; Л^ -динамический размагничивающий фактор; Мн^(дМ/дН)0 М5 -

намагниченность насыщения МЖ.

Полученное теоретическое выражение определяет амплитуду

индуцируемого сигнала АМЭ и, в отличие от используемых ранее

соотношений, содержит в себе зависимость от частоты звуковых колебаний и

времени релаксации частицы.

Начальный участок кривой АМЭ несет в себе важную информацию о

процессах, происходящих при о,05

намагничивании МЖ в малых полях, ...

0,04

он отвечает за ориентацию по полю

0,03

крупных наночастиц, вносящих

0,02

V, кГц

основной вклад в намагниченность образца. °>01

В теории акустомагнитного О эффекта ранее не рассматривалась зависимость тангенсов углов наклона начальных и конечных участков кривых АМЭ от частоты - такое исследование проводится в рамках данной работы.

Из формулы (1) было найдено выражение для определения тангенса угла наклона начального (1{>в) участка кривой АМЭ:

10 20 30 40 50 60 70 Рис. 3. Тангенсы углов наклона начальных участков кривых АМЭ для образца №54

г8в = ^Л+к'/3

3 к0Т 1+(<уг) • ^

По формуле (2) был построен график зависимости тангенсов углов наклона начальных участков кривых АМЭ от частоты (линии) в сравнении с экспериментальными данными (точки) - рис 3. Линия соответствует формуле (2), линия 1л02 построена по формуле (2) с учетом N¿=0, линия 1§93 — аналогично, но при условии (<от)2=0.

Наблюдаемое из представленных графиков соответствие между экспери-

1ёРМ = 0,07

у = 0,000111х +0,013 1£Рн

■ I' и»1****

V, кГц

ментальными результатами и 0,08 теоретическими данными,

0,06

вычисленными по формуле (2) без

учета релаксации, в очередной раз 0,04

подтверждает физическую ^^

обоснованность используемой

концентрационной модели. 0

10 20 30 40 50 60 70 Согласно теории суперпара- Рис.4. Тангенсы углов наклона начальных

участков кривых АМЭ и кривой магнетизма, намагничивание намагничивания для образца №54

магнитных коллоидов описывается функцией Ланжевена, которая в области слабых полей имеет линейный характер. Кривые намагничивания реальных МЖ на начальном участке также могут быть аппроксимированы прямой пропорциональностью. По тангенсам углов наклона этих участков можно судить о дисперсном составе образцов, в частности, о физических параметрах частиц, составляющих наиболее крупную фракцию МЖ, поскольку именно эти частицы первыми ориентируются в слабых магнитных полях.

На рис. 4 представлен график зависимостей тангенсов углов наклона начальных участков кривой намагничивания и кривых АМЭ (экспериментальные точки и их аппроксимация).

Теоретическое и экспериментальное отношение тангенсов углов наклона начальных участков кривой АМЭ и кривой намагничивания для образца №54 представлено на рис. 5 (линии — теоретические значения отношения tgPм/tgpнь когда (<вт)2=0, 1£рм%рш - с учетом релаксационных процессов ((сот)2=1),

темные значки - экспериментальные данные).

Из представленного графика видно, что процессы происходят в предре-лаксационной области исследования, и теоретические значения отношения

тангенсов углов наклона, вычисленные б с учетом (сот)2=0, хорошо согласуются с экспериментальными результатами. 4 Возможно, это связано с тем, что магнитные коллоиды относятся к 2 классу неньютоновских жидкостей, в которых вязкость зависит от

Ріп

1 ♦

V, кГц

0-1-.-.-.-1-

намагниченности МЖ и анизотропии 10 20 30 40 50 60 70

Рис.5. Теоретическое и частиц. экспериментальное отношение

В слабых магнитных полях в ^«кЭн ял. образца №54

области Н—>0 выражение (1) в общем виде с учетом релаксации ((шт)2=1) принимает вид

Д, _ 1 + ІОК)2

А <3)

1+г/з

Отношение Р»/Рн не зависит от Н, однако при его экспериментальном определении необходимо вводить поправку на размагничивающее поле с учетом того, что размагничивающий фактор при нахождении Рм(Н) и Рн(Н) может быть различным. Левую часть выражения (3) можно представляется в виде отношения тангенсов углов наклона начальных участков кривых Рм(Н) и Рн(Н). На основе результатов эксперимента анализируются начальные участки кривой намагничивания Д/Я) и полевой зависимости амплитуды ЭДС, индуцируемой за счет АМЭ Рн(Н) в сильноконцентрированном образце МБ-З, показанные на рис. б.

После элементарных преобразований выражения (3) и без учета процессов релаксации ((гат)2=0) получается формула для расчета динамического размагничивающего фактора Л^:

3 k0T

Nj =-

.'SPh

(4)

2 4 6 8 10 Рис. 6. Начальные участки Рм(Н) и Рн(Н) для образца MF-3

Ц0пиМ8

Для вычисления Nd по формуле (4) необходимо проводить комплексные измерения полевой зависимости АМЭ и кривой намагничивания исследуемого °>3 образца МЖ. За величину магнитного момента частицы т. здесь принимается значение, полученное МГМ методом.

В выражение (4) входит в качестве измеряемой величины отношение tgfiultgPH, достоверность получения которого возрастает с увеличением концентрации магнитной фазы МЖ. Именно по этой причине проведение прецизионных измерений параметра Nd целесообразно проводить на высококонцентрированных образцах МЖ.

Проведен комплекс экспериментальных исследований, позволивший получить данные по величине динамического размагничивающего фактора для диапазона частот 20 - 60 кГц. Графически эти данные представлены на рис. 7 в виде точек, отображающих зависимость Nd от параметра формы Р = Я /2d.

Сплошная и пунктирная линии показывают теоретическую зависимость Nd, построенную дня сплющенных эллипсоидов вращения и для тел цилиндрической формы.

При этом важно отметить, 0,3 впервые полученные экспери- Q2 ментальные данные для Nd находятся в

0,1

качественном согласии с модельной теорией (V.M.Polunin On the estimation 0 of physical parameters of magnetic nanoparticles in magnetic fluid //

0,5 0,4

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Рис. 7. Динамический размагничивающий фактор

Magnetohydrodynamics. - 2010. - V.46. - N.l. - P. 31-40), которая правильно

предсказывает тенденцию уменьшения численного значения параметра Л^ с увеличением частоты звуковых колебаний. Вместе с тем, схема расчета размагничивающего поля не учитывает присутствие соседних полуволн, что не позволяет считать рассматриваемую модель физически адекватной в области ХГМ« 1.

На основе методов акустогранулометрического и магнито-гранулометрического анализа были 24 вычислены значения магнитных 20 моментов «крупных» наночастиц 16 дисперсной фазы исследуемых образцов. 12

На рис. 8 представлена диаграмма 8 размеров наночастиц крупной фракции в

ё,нм

v, кГц

диапазоне частот для исследуемого

образца МЖ №54, полученная по МГМ ° 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 8. Размеры наночастиц крупной (треугольник) и ATM (ромбы) методам. фракции образца №54

Горизонтальная линия показывает значение, усредненное по исследуемому

диапазону частот.

Магнитные моменты крупных частиц по ATM методу вычислялись с учетом экспериментально найденного динамического размагничивающего фактора Nd. При определении размеров частиц таким методом необходимо вычислять Nd для образцов МЖ с соответствующей дисперсионной средой.

Выполнен анализ конечного участка кривой АМЭ и из формулы (1) было найдено выражение для определения его тангенса угла наклона:

tg£l = —+ (5) tiom-

По формуле (5) был построен график зависимости тангенсов углов наклона конечных участков кривых АМЭ от частоты (линии) в сравнении с экспериментальными данными (точки) - рис 9. Линия tgfli соответствует формуле (5), линия tgii2 построена по формуле (5) с учетом (шт)2=0. Из представленного графика видно, что теоретическая зависимость tgfi2 находится в хорошем согласии с экспериментальными данными и процессы происходят также в предрелаксационной области исследования, как и для начального участка,

10 20 30 40 50 60 70 Рис. 9. Тангенсы углов наклона конечных участков кривых АМЭ для образца №54

рассмотренного выше.

Для описания процесса намагничивания нанодисперсных МЖ ранее было предложено использовать «разностную» кривую У+(е)(Н), построение которой осуществляется путем вычитания значений относительной амплитуды АМЭ Р(Н) из значений относительной 40 намагниченности образца рм(Н) в 20 магнитных полях одинаковой напряженности. Физический смысл 0 «разностной» кривой заключается в том, что она отображает, насколько намагниченность МЖ снижается за счет тепловых колебаний частиц в адиабатной звуковой волне и возникновения в АМЭ специфического динамического размагничивающего поля.

По «разностной» кривой в области Н—«о можно определить магнитный момент частиц, составляющих наиболее мелкую фракцию МЖ. Недостатком этого метода является высокая погрешность, получаемая за счет вычитания друг из друга двух у+(„) рМ) р экспериментальных кривых. Кроме 1 того, такой способ является весьма 08 трудоемким, поскольку требует 06 «ручной» обработки каждой зависимости.

В данной работе предлагается усовершенствовать указанную

методику за счет того, что угловой коэффициент вычисляется непосредственно из уравнений линейной аппроксимации конечных участков кривых АМЭ и намагничивания, то есть без построения самой «разностной» кривой (рис. 10). В этом случае 1§аг определяется простым вычитанием угловых коэффициентов зависимостей р(Н) иРм(Н).

0,4 ОД О

¿Х^Ц^мн1)

у = -37х+1 р(Н"1)

у = 22х ^(И-1* _ ТГСм/МА

2 4 6

Рис. 10. Определение величины tga для

образца №57

Наличие диполь-дипольного взаимодействия, прежде всего, между

<1, нм

.....

V, кГц

крупными магнитными наночастицами ослабляет их вклад в процесс намагничивания в окрестности магнитного насыщения, наноагрегаты в большей мере блокированы магнитным 14 полем, чем отдельные частицы, и в 12 меньшей степени подвержены ю воздействию тепловых колебаний. 8 Ультрамалые тепловые колебания, 6 сопровождающие звуковую волну, 4 обуславливают раскачку магнитных 2

моментов наиболее мелких наночастиц с 0 ю 20 30 40 50 60 70

неелевским типом тепловой релаксации. Рис. 11. Размеры наночастиц мелкой

фракции образца №54

Выполнен расчет магнитных моментов для частиц, составляющих наиболее мелкую фракцию, по методу МГМ, АГМ и по «разностной» методике по формуле

дс\т

т. =~—-— (6)

Для наглядного представления данных, полученных методами магнитогранулометрии (треугольник), акустогранулометрии (квадраты) и по «разностной» методике (круги), для образца №54 построена диаграмма -рис. 11. Горизонтальные линии показывают значения, усредненные по исследуемому диапазону частот.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что на резонансные свойства входного колебательного контура не оказывает влияния жидкий магнетик, находящийся в трубке.

2. На шести образцах магнитных жидкостей с различной дисперсной средой экспериментально исследована зависимость величины акустомагнитного эффекта от напряженности магнитного поля в диапазоне частот 20 - 60 кГц.

3. Анализ полевой зависимости АМЭ, который показал отсутствие полной тепловой релаксации магнитного момента наночастиц дисперсной фазы в области малых полей и на участке магнитного насыщения.

4. Определены теоретические и экспериментальные значения отношения тангенсов углов наклона начальных участков кривой намагничивания и

акустомагнитного эффекта для исследуемых магнитных жидкостей и дана их теоретическая интерпретация на основе концентрационной модели.

5. Разработана методика экспериментального определения динамического размагничивающего фактора Выполнено сравнение результатов, полученных по данной методике, с теоретической моделью.

6. Проведен сравнительный анализ результатов оценки размеров крупных магнитных наночастиц МЖ методами магнитогрануломегрии и акусто-гранулометрии с использованием экспериментальных данных для динамического размагничивающего фактора.

7. Разработана усовершенствованная методика обработки результатов полевой зависимости АМЭ для определения магнитных и геометрических параметров наиболее мелкой фракции наночастиц и на ее основе получены результаты.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полунин, В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитаыхжидкостей - М.: Физматлит, 2012. - 384 с.

2. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // Успехи физ. наук. 1974. Т.112. № 3. С. 427-459.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Полунин, В.М. Акустометрия нанодисперсной фазы магнитной жидкости [Текст] / В.М. Полунин, А.М. Стороженко, А.О. Танцюра [и др.] // Нанотехника. -2011. - № 2(26). - С. 64 -69.

2. Полунин, В.М. Результаты исследования полевой зависимости акустомагнитного эффекта [Текст] / В.М. Полунин, A.M. Стороженко, А.О. Танцюра [и др.] // Известия ЮЗГУ. - Курск, 2011. - № 3. - С. 37-43.

3. Storozhenko, A.M. Interaction of physical fieldsunder the acousto-magnetic effect in magnetic fluids [Text] / A.M. Storozhenko, A.O. Tantsyura, P.A. Ryapolov [et al.] // Magnetohydrodynamics. - 2011. - V. 47. - № 4. - P. 345-358.

4. Полунин, В.М. Экспериментальное исследование физической природы акустомагнитного эффекта в магнитной жидкости [Текст] / В.М. Полунин, A.M. Стороженко, А.О. Танцюра [и др.] // Известия ЮЗГУ. - Курск, 2012. - № 1. - С. 41-47.

5. Стороженко, A.M. О влиянии концентрации магнитных наночастиц в магнитной жидкости на результаты акустогранулометрии [Текст] / A.M. Стороженко, В.М.

Полунин, А.О. Танцюра [и др.] // Нанотехника. - 2012. - № 3. - С. 49-53.

6. Полунин, В.М. Об экспериментальном определении динамического размагничивающего фактора [Текст] / В.М. Полунин, А.О. Танцюра, П.А. Ряполов // Известия ЮЗГУ. - Курск, 2012. - № 2. - С. 29-34.

7. Полунин, В.М. Исследование размагничивающего поля, индуцированного звуковой волной [Текст] / В.М. Полунин, А.О. Танцюра, А.М. Стороженко [и др.] // Акустический журнал. 2013. - т. 59. - № 6. - с. 709-713.

В других журналах и изданиях:

8. Танцюра, А.О. Особенности процесса намагничивания магнитных жидкостей в сильных магнитных полях [Текст] / А.О. Танцюра, В.М. Полунин, A.M. Стороженко [и др.] // Известия ЮЗГУ. Серия физика и химия. - Курск, 2012. -№1.-С. 14-21.

9. Полунин, В.М. Магнитогранулометрический и акустогранулометрический анализ нанодисперсной фазы сильноконцентрированной магнитной жидкости [Текст] / В.М Полунин, A.M. Стороженко, А.О. Танцюра [и др.] // Известия ЮЗГУ. Серия физика и химия. - Курск, 2011. - № 2. - С. 15-21.

10. Полунин, В.М. Расчетная величина магнитного момента наночастицы магнитной жидкости в малых и насыщающих полях [Текст] / В.М. Полунин, А.О. Танцюра, A.M. Стороженко [и др.] V/ Сб. науч. тр. 15 Международной Плесской научной конф. по нанодисперсным магнитным жидкостям. - Иваново, 2012. - С. 51-57.

11. Стороженко, А AI. Диагностика структуры и состава магнитных жидкостей микроскопическими методами [Текст] / А.М. Стороженко, ИЛ. Шабанова, А.О. Танцюра // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: сб. научн. тр.: Вып. 38: матер. III Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики». - Курск, 2012. - С. 98-102.

12. Танцюра, А. О. Определение размагничивающего фактора в рамках концентрационной модели акустомагнитного эффекта [Текст] / А.О. Танцюра // Будущее науки - 2013. Материалы Междунар. молодежи, конф., Т.З, Юго-Зал. Гос. Ун-т., Курск 2013, С. 252-255.

13. Полунин, В.М Исследование акустомагнитного эффекта в магнитных жидкостях с различной несущей основой [Текст] / В.М Полунин, A.M. Стороженко, А.О. Танцюра [и др.] // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем: Сб. трудов IV Всероссийской научной конференции. - Ставрополь, 2013. С. 179-185.

14. Полунин, В.М. Детализация механизмов возмущения намагниченности МЖ в

звуковой волне [Текст] / В.М. Полунин, А.М. Стороженко, А.О. Танцюра [и др.] // Физическая акустика. Нелинейная акустика. Распространение и дифракция волн. Акустоэлекгроника. Геоакустика: Сб. трудов Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества», Т.1. -М.: ГЕОС, 2011, С.63-66.

15. Танцюра, А.О. Расчет размагничивающего фактора на основе концентрационной модели акустомагнитного эффекта [Текст] / А.О. Танцюра, A.M. Стороженко, В.М. Полунин [и др.] // Тезисы докладов XVIII Зимней школы по механике сплошных сред. - Пермь, 2013. - С. 335.

16. Танцюра, А.О. Анализ процессов намагничивания магнитной жидкости в слабых полях [Текст] / А.О. Танцюра // Тезисы докладов XIII Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС) - Екатеринбург, 2012 - С. 68.

Подписано в печать октября 2013г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Печл. 1. Тираж 120 экз. Заказ л/535" Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Танцюра, Антон Олегович, Курск

На правах рукописи

Тонцюрь

Танцюра Антон Олегович

042013о3709

ВОЗМУЩЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ГРАНИЦЕ ЗВУКОВОГО ПУЧКА В НАМАГНИЧЕННОЙ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.М. Полунин

КУРСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОДИСПЕРСНЫХ

МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ.............10

1.1 Общие представления о магнитных жидкостях.......................................10

1.2. Магнитные свойства нанодисперсной магнитной жидкости.................15

1.3 Методы исследования физических свойств нанодисперсных МЖ........19

1.3.1 Акустомагнитный эффект....................................................................19

1.3.2. Механизм возмущения намагниченности в магнитном поле, перпендикулярном звуковой волне..............................................................23

1.3.3. Размагничивающие поля и динамический размагничивающий

фактор..............................................................................................................26

1.3.4 Акустогранулометрия магнитных наночастиц..................................31

1.4. Методы электронной, сканирующей зондовой микроскопии, мессбауэровские исследования и малоугловое рассеяние нейтронов в

структурных исследованиях МЖ.....................................................................33

1.5 Выводы, цель и задачи исследования........................................................37

В связи с этим целью диссертационной работы является экспериментальное исследование возмущения магнитного поля на границе звукового пучка в намагниченной магнитной жидкости с различной

дисперсной средой.............................................................................................38

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА

ИЗМЕРЕНИЙ.........................................................................................................39

2.1 Описание экспериментальной установки для исследования АМЭ........39

2.2. Исследование амплитудно-частотно-полевой характеристики входного

колебательного контура экспериментальной установки...............................42

2.3 Описание экспериментальной установки для исследования магнитных параметров образцов МЖ.................................................................................44

2.4 Описание экспериментальной установки для измерения скорости распространения звуковых волн в трубке с МЖ...........................................46

2.5 Методика исследования полевой зависимости АМЭ..............................47

2.6. Методика магнитогранулометрического исследования магнитных

параметров образцов МЖ.................................................................................51

2.7 Методика определения скорости звука в трубке с МЖ...........................53

2.8. Выводы.........................................................................................................56

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. 57

3.1 Физические характеристики объектов исследования..............................57

3.2 Исследование параметров нанодисперсной фазы МЖ методами растровой электронной и атомно-силовой микроскопии и рентгеновской спектроскопии....................................................................................................65

3.2.1 Исследование дисперсного и элементного состава образца MF-3

методом растровой электронной микроскопии..........................................65

3.2.2. Исследование дисперсного состава образца MF-3 методом атомно-

силовой микроскопии...................................................................................68

3.2.3 Исследование фазового состава образца MF-3

на многофункциональном рентгеновском дифрактометре Ultima............70

3.3. Результаты измерений полевой зависимости АМЭ................................71

3.4. Выводы.........................................................................................................79

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.....81

4.1. Интерпретация результатов экспериментального определения тангенсов углов наклона начальных участков кривой намагничивания и АМЭ.....................................................................................................................81

4.2. Уточнения в определении тангенсов углов наклона начального участка кривой АМЭ.......................................................................................................92

4.3. Усовершенствованная теоретическая модель для расчета частотной зависимости динамического размагничивающего фактора..........................94

4.4. Методика экспериментального определения динамического размагничивающего фактора............................................................................96

4.5. Зондирование возможности определения теплоемкости магнитной жидкости на основе АМЭ...............................................................................100

4.6. Сравнение полученных методами МГМ и АГМ экспериментальных данных размеров крупных магнитных наночастиц МЖ.............................102

4.7. Интерпретация результатов экспериментального определения тангенсов углов наклона конечного участка кривой АМЭ. Усовершенствованная методика обработки экспериментальных данных по оценке размеров мелкой фракции дисперсной фазы МЖ...........................105

4.8. Выводы.......................................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................118

БЛАГОДАРНОСТИ............................................................................................119

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в дисперсионной среде, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода.

Помимо решения «чисто измерительных» задач акустогранулометрия нанодисперсных магнитных жидкостей может быть полезна при решении глубинных физических вопросов, посвященных исследованию квантовых ограничений (минимальные размеры доменов) и изучению особых физических свойств наноразмерных кристаллов (магнитострикция однодоменной наноразмерной частицы, термо- и барозависимость ее магнитного момента) [1].

возможности применения этого уникального эффекта в науке и технике.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование возмущения магнитного поля на границе звукового пучка в намагниченной магнитной жидкости с различной дисперсной средой. Задачи исследования: Исследовать влияние МЖ на резонансные свойства входного колебательного контура и провести измерения зависимости величины АМЭ от напряженности магнитного поля на шести образцах МЖ с различной дисперсной средой в диапазоне частот 20 - 60 кГц;

- Определить экспериментальные и расчетные значения отношения тангенсов углов наклона начальных участков кривой намагничивания и акустомагнитного эффекта для исследуемых МЖ и проанализировать их на основе концентрационной модели;

- Разработать усовершенствованную методику обработки данных полевой зависимости АМЭ для определения магнитных и геометрических параметров

наиболее мелкой фракции наночастиц и получить результаты на ее основе.

Научные результаты, выносимые на защиту:

Научная новизна результатов исследования:

2. Методика экспериментального определения динамического размагничивающего фактора, позволяющая получать данные для расширения возможностей акустогранулометрии и проверки физической адекватности модельных теорий.

Практическая и теоретическая значимость работы.

Расширение концентрационной модели АМЭ позволяет более полно описать физические процессы, приводящие к акустомагнитному эффекту, дать интерпретацию получаемых на основе АМЭ результатов. Соответствие теоретических и экспериментальных значений динамического размагничивающего фактора служит дополнительным подтверждением физической обоснованности модельной теории, а также дает возможность оценки размеров частиц крупной фракции. Разрабатываемая усовершенствованная методика обработки данных позволяет делать более точную оценку размеров магнитных наночастиц мелкой фракции дисперсной системы.

Результаты диссертационного исследования применяются в научных исследованиях, проводимых в рамках ФЦП (грант 2011-1.3.2-121-003 - ГК № 14.740.11.1160, Соглашения № 14.В37.21.0906), и используются в учебных целях (справка о внедрении в учебный процесс).

крупных и мелких ферромагнитных частиц МЖ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В

соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование нанодисперсной магнитной жидкости и особенностей наблюдаемого в ней акустомагнитного эффекта. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2 и 6 паспорта специальности.

Апробация результатов исследования. II Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2010); III Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011); 15-й Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям (Плес, 2012); VII Всероссийской школе- конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (Иваново, 2012); XIII Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2012); III Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2012); XVIII Зимней школе по механике сплошных сред, (Пермь, 2013); Международной молодежной конференции «Будущее науки 2013» (Курск 2013); IV Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2013).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников; изложена на 131 странице, содержит 86 рисунков, 9 таблиц и 103 наименований использованных источников.

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНО ДИСПЕРСНЫХ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие представления о магнитных жидкостях

Ферромагнитные жидкости (МЖ) представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в дисперсионной среде [1-6], в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода.

Процесс получения магнитной жидкости состоит из двух основных стадий: получения магнитных частиц коллоидных размеров и стабилизации их в жидкой основе [7]. Основная особенность этого процесса состоит в том, что обе стадии совмещены во времени. Чтобы предотвратить слипание частиц под действием сил притяжения, нужно их сразу обволакивать слоем стабилизатора. С процессом получения МЖ неразрывно связано исследование их физических свойств, поскольку это позволяет оказывать влияние на результаты синтеза коллоидов.

Первые МЖ на керосиновой основе были получены С.С. Пейпелом [8] путем размалывания ферритовых порошков в шаровых мельницах, так называемый механический метод получения. Помол длился несколько недель в присутствии дисперсионной среды, в которой с самого начала растворен стабилизирующий агент. Со времен получения первых МЖ в качестве жидкости-основы часто используются керосин, вода, фторорганические и силиконовые жидкости; стабилизатором часто служит олеиновая кислота. Основными недостатками этого метода явились низкая производительность, а также загрязнение магнитной жидкости продуктом истирания шаров при работе мельницы. Кроме того, полученная этим

способом дисперсная фаза характеризовалась значительным разбросом частиц по размерам.

Для уменьшения ширины диапазона разброса частиц по размерам применяют метод центрифугирования. Так, в работе [9] получавшаяся после помола дисперсия центрифугировалась 20 минут в поле 17 ООО g, после чего отделялась неосевшая фракция. В разных суспензиях, описанных в [9], средний диаметр частиц магнетита варьировался от 5 до 9 нм при концентрации частиц п ~ 1016—1018 см'3.

Для получения дисперсных систем наряду с диспергационным методом широко применяют и конденсационный. Частицы, имеющие коллоидные размеры, образовываются благодаря объединению (конденсации) отдельных молекул. Так как молекулы или атомы объединяются, то свободная энергия системы уменьшается, вследствие чего процесс происходит самопроизвольно. На размер получающихся наночастиц существенно влияют условия, при которых происходит объединение отдельн�