Исследование взаимодействия электромагнитного излучения с магнитной жидкостью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

од

на правах рукописи

ЕРМОЛАЕВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САРАТОВ - 1996

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саоатовского Государственного университета

Научные руководители: профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедры ФТТ СГУ Д.А.Усанов; кандидат физико-математических наук, докторант СГУ Скригапь А. В.

Официальные оппоненты: профессор, доктор физико-математических наук., заведующий кафедры ПВО СГТУ Байбу'рим В.Б.;

Лауреат Государственной премии, кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе научно-производственного предприятия "Микроэлектроника" Посадский В.И.

Ведущая организация: Саратовский филиал института радиотехники и электроники РАН. .

Защита диссертации состоится 20 июня на заседании специализированного совета Д. 063.74.01 по специальности 01.04.03 - радиофизика б Саратовском гоеуниаерситете по адресу: 410300, ¡".Саратов, ул^страхакская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научиойбиблкотеке СГУ.

Автореферат разослан^^ май 159В г. . Ученый секретарь

специализированного совета •

кандидат физико-математических наук, ■доцент Ь,,(/к> Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность лррблзмы.

К одному из фундаментальных направлений сспременной радиофизики можно отнести изучение ззаиглодейстпия электромагнитного излучения с различными типами вещестз. Одним из таких веществ, свойства которого в диапазоне СВЧ слабо изучены, является магнитная жидкость, быстрое развитие и формирование направлений исследования магнитных .жидкостей стало .возможным на основе достижений з .области электродинамики, механики сплошных сред я физики магнитных яалемий. Результаты исследований а этом направлении могут во многом определить уровень технических достижений пр»' создании различных типов устройств, в тем числа .лршедателЬио * задачам радиофизики.' Использование- 'машитньа жггпхзстей а прецга*«нно*3 техника привело к необходимости исследования их свсйстз й пяр?.!32трс2. йгзталодойствме электромагнитного излучения с мгл-ктткей едкостью приобретает более сложный хграэтер при помещении ее со внешнее мзкштноэ пола, тан как а атом случае на характер взаимодэйстнмя существенное длиянке будет сказывать внутренняя струэтура йшгнйтисй газдмсгй, наведенная магнитным попа«,?.

Для современной науки характерен существенный интеоес * 'исследованию стдаа-шго поведения систем, • якеоцдо з споем составе ферромагнитные частицы. Расширение области использования «агнитных жидкостей в СВЧ устройствах, а таске возяахНрсгь определения их свойств и параметров- радиоволмовыпли тазтодака, -обуславливает актуальность изучения закономерностей ззаимедейстшя зл'ехтроматитных колебаний с магнитной падкость'»" для радиофизики. Проведение таких' исследований позволяет. совершенствовать и качественно изменять структуру магнитных жидкостей, расширять области их .применения, создавать новые устройства на основе наблюдаемых эффектов -взаимодействия электромагнитного излучения с магнитной жидкостью.

■ 4 • . '

Следует отметить, что при исследовании магнитной гяидкости большой интерес может - представлять описание процесса взаимодействия электромагнитного излучения с магнитной гкидкостью, . помещенной в постоянное магнитное поле, так как магнитное поле сказывает сильное влияние на ее структуру и свойства. Подобного рода исследований могут обеспечить воз моха-! ость создания систем с управляемыми параметрами.

Цепью диссертационной ааГюты является изучение взаимодействия электромагнитного излучения с магнитной жидкостью, в том числе при воздействии на нее магнитного поля, температуры, механических колебаний, определение по характеру взаимодействия свойств магнитной жидкости.

Нвучнзч новизна исследований, проведенных в коде

диссертационной работы, состоит в следующем:

. 0

- . впервые теоретически описан и обнаружен экспериментально резонансный характер отражения СВЧ излучения от магнитной жидкости в волноводе при изменении^ величины магнитного поля и показана возможность определения по кзмере-мтй щирине резонансной кривой размеров ферромагнитных чзстац;

- впервые Експериментзльно обнар^сзно, что изменение ориентации приложенного к магнитной жидкости постоянного магнитного поля относительно направления электрического вектора СВЧ-волны с параллельной на ортогональную приводит к пояалемию сильной анизотропии ее коэффициента отражения в СВЧ диапазоне;

- установлено, что при .ориентации приложенного магнитного; поля параллельно плоскому слою магнитной жидкости значение поля, при котором начинается процесс образований агломератов; ферромагнитных частиц в слое, меньше, чем в объеме магниткой кгидкости, что приводит к отличию в них характера фазовых процессов;

- впервые показано, что при воздействии на ыагнишую жидкость Механических колебаний изменяется ее коэффициент отражения, причем указанная закономерность справедлива для характерных участков

насыщения а зависимости коэффициента отр&жгния СБЧ золна от магнитного поля и спидегельствует о тем, что при возбуждении мехжпчгсяос колебаний прежняя структура магнитной 'жидкости не восстаиазлизазтся' ни при каких знамениях магнитного поля.

Дастоаооность r^w.-wui?. pyjynvraтоп. Достоверность полученных теоретических , результатов обеспечивается достаточной строгостью используемых математических моделей,- корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных' процессов к иешмшм ' решениям, соответствием результатов расчета • эксперименту. Достоаеркость зкепзриментальных результатов обеспечена лригломенигм стандартной измерительной гпгггрзтуры, обработкой зкег.ери ментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ. .

Практичос-хая -;к"чу"остъ полученных результатов заключается а следующем:

- показана возможность проведения сперзтязного контроля ражероз частиц магн:тгнсй жидкости по результатам измерения зеш'симостм коэффициента отражения СБЧ излучения от взличвны мггнитного поля;

- показана возможность использования эффекта анизотропного отражений СВЧ излучения от магнитной жидкости при изменении величины :ч направления еизщнйго магнитного поля для управления параметрами излучения;

- проведена сценка влияния механических колебаний на структуру «ггнитной ясидхости, ней'еденную' внешним мапотгным полем.

Дпг.е5?ц«эд. ояботы. 'Основные полохгйиия и достигнутые а ходе зыпалнзния •• диссертационной • ргбаты результаты . докладывались и збсуждались на Международной Рижской конференции. по магнитной •идредикзмихе MAHYO-95 з 1235 году а Риге; на IV- Российской научно-гехнмческой. конференции "Оптические, радиоволнозыо, тепловые методы и средства неразрушающегр контроля" а 1995 году з Сзратс-зв, а тзкке кз :еминарах кафедр физики твердого тала « электроники и волновых процессов Саратовского госунизерсятета.

Публикации. По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 4 статьи б центральных научно-технических "журналах, • 2 тезисов • докладов на научно-технических, конференциях.' На' техническое решение, полученноз в ходе проведения исследований получено решение о еыдаче патента нз изобретение.

Личяыб глт.п,!- дагорд. Личное " участие авторе в этой работе выразилось е самостоятельно?.' выводе расчетных соотношений, позволяющих списать экспериментальные' результаты, выборе мтоматической издали. проведении', всего объема расчетных и экспериментальных .работ, участи« б формулировании научных выездов '

- Структура ^ &5ъг:м диссертации. Диссертаций состоит из Введения, пктя разделоЕ, имеющих подразделы. Заклгочс-нт и списка литературы. Общий объем: диссертация составляет 107 страниц машинописного текста, в то« чиста основой текст занимает 93 страниц.' Бключая 25 рисунков. Список литературы содержит 74 наименования и изложен на 8 страницах.

Осносиыа попагтаикя выносимые защиту:

1. Зависимость' от иашитиого поля коэффициента отражения СВЧ волны в солнозодв, содержащем пояубескокеччый слой магнитной хздксзстн с ферромагнит) «дои частицами ваноаетровых размеров,' имеет резонансный характер, причем по измеренной ширине резонансной кривой возможно определять размеры ферромагнитных частиц.

2. Изменение ориентации приложенного к магнитной «зад кости постоянного шанитного поля относительно направления электрического вектора СВЧ-волны с параллельной на ортогональную привадит к пойалзнк» сильной анизотропии со коэффициента отражения в СВЧ диапазоне. •

5. При сряентсц:?« «апштного поля, прилоязкного парзппельно плоскому слога каткктиой ждоастк; значение полк, при' котором начинаете; проассс образования агломератов ферроглагиитных.частиц в слое, меньше, чо&з в объеме мггккткей яс'даости, что гриводит к отличию ' в них характера' фазовых процессов. - .- , ■

4. Возбуждение а магнитной жидкости механических колебаний приводит к уменьшению коэффициента отражения СВЧ излучения при тех scs значениях магнитного поля, ' что и а случая отсутствия колебаний для параллельной ориентации зехгереа магнитного и СБЧ злеетричесхого поля, и его увеличению для ортогональной ориентации этих зектоооп. Указанная закономерность спрааедпива для характерных участков насыщения з oasncnvocrvi коэффициента отрзжения.от мггьптного поля и езицетелыпоует о том, что при возбуждений механических колебаний прежняя структура магнитной жидкости но В0сс7снз2яизгется ни три каких значениях магнитного поля. ■"

Нз защиту зынссится- готе новый способ определения рас?лероа ферромагнитных частиц магнитной жидкости, созданный на секс-зз выявленных физических закснсйорнсстей.

СОДЕг'ХАКИЕ РАБОТЫ

ГЗо Вагпсни-я ебьскоггна актуальность зь;5азнной темы днесготг-ции, сфсрмулирсэана цель работы, лаизецеиъ! основные. положения, сынссимые на защиту, списана структура и объем работы.

В псином рчзгхяяя диссертации прс~-аден критический анализ современных исследований; поезяиге.^кых изучению саой&тз и парсмзтрса магнитной жидкости пс характеру ззакысдзйстаиа с ней электромагнитного" излучения, из которого следует, что элиякдие магнитного паля гоиаодит « процессу струхтурссбрззсвг.чия тмой ящдхеста. При йсследозгния агога процесса з настоящая «рема •дспсг.ьзу.стся сгггячзсяяа «атоды для тонких плоских слова и ультразвуковые дли объема ?лгп;итнсй жидкости. Вследствие этого О5С0ЫЭ- интерес лрадстэзляет йсспедозгнкз отличий xapai-rrsna фзгогых процессса, происходящих з 'тонком слоз и объема магнитной ;-злд кости, подверженней действий ?.«агнитного поля. Отметано," чгс алияниз внешнего магнитного поля припедит к сбсзаазани>о анизотропной й«утран1-:ей структуры из дгломоратоа ферромагнитных частиц. Подтему преслплсгкено.

что для исспадосанйя шшзотропии объема магнитной жидкости, наведенной кагнптным полем, могут найти широкое . применение СВЧ методы. Проанализировано влияние температуры и колебательных воздействий нз структуру, магнитной жидкости, помещенной в магнитное пале. Проведён критический анализ методов исследования магнитных л«кдкостей на СВЧ.

Бс< тором рагдйве прздетвзлены результаты исследования отважеии* СВЧ излучения- от магнитной 5хидкости. в условиях' Ферромагнитного резонанса в восьмимиллигиетровом диапазоне. Теоретически и зкепериментально показан резонансный характер отражения СВЧ излучения от магнитной жидкости, подверженной воздействию внешнего магнитного полй.

' Исследовано взаимодействие СВЧ излучения с магнитной жидкость», которое показало, что размер ферромагнитных- частиц влияет на характер .дисперсий динамической магнитной восприимчивости Хш к. как следствие, на характер отражения СВЧ волны от магнитной жидкости (рис.1).

Рмс.1. Базисшость коэффициента отражения СЕЧ излучения (Я) от сглачикы приведенного магнитного полк (Нп) дли различных размеров, фаррогиггнитньк частиц на частоте 27 ГГц: 1-10 нал, 2 - 7 и«, 3 - Б «м.

О

Прозэдеккь.-й анализ зскксякооти ширины кривой ферромагнитного рггананса К(НП) от параметров магнитной я;ид кости показал, возможность ксрреетНого'ргсчвта размера ферромагнитных чпгтиц- по намеренной ширина ¡живей К(НГ1). Взаимосвязь размера ферромагнитных частиц магнитной жидкости й с .-шириной :крксой зг&юплостп когффьчцкзнта отражения от величины кепшного - поля, которая определяется'- - поведенисгл действительной части динамической мггнитней поспркимчгаости _ уМ (1 + У)^+(Пг_1)Нг

описывается следующим соотношением:

(2)

р_ 4ДНьУр(Н?р-Жггр) "(УЬАНР-АНЬУР)Н|,'

где Н, - пркЕоденноо ьгпгиитное полз Н„ =—-; у- п?ро«зп<уггное отношекка,

СО .

сй=2т', у - частота СВЧ излучения, М - намагниченность магнитной ямдкостн, - намагниченность насыщения твердо га кагкаТкка, -л - фактор затухания электромагнитной волны в магнитной »едкости, к - постоянная Больцмгна, Т -температура, Н1р и Н2р - значения приведенного, магнитного полл, ссотязтствующке экстремальным гмачэния .коэффициента -отргояния на чгстоте у?, ДК0, АНЬ - значения'ширины ферроглггнитного-резонанса на .

частотах ур и Здесь ур и - частота, на гатсрьоГ'гнЕчвнив ДН -существенно зйзиейт от частоты СВЧ излучения V (ДНР) и язлязтея постоянным с ее изменечием (ДНЬ), соотаатстяенно.

Установлено, что, -изменяя частоту СВЧ • излучения, могско существенным образа «-расширить - диапазон измеряемых значений размеров частиц магнитной ходкости (рис.2)-

0.1!_________: ___________

G 5 10 15 20 d. им

Pac.2. Зависимость ширины резонансной кривей от размерен частиц мапшной жидкости для различней частоты CS4 излучения: 1 - 27 ГТц, 2 - 16 - ¡Tu, 3 - 8 ГГц.

В тяй-тьд;-?- раздала приведены результаты исследования влияния внешнего магнитного поля на диэлектрические свойства магнитной жидкости.

Измена! »га электрической вссприиычтщости магеитней жидкости при параллельной я перпендикулярной ориентация* векторов мажитнего и зяещгпчесхого nansú имеет различный характер и зависит qt размера а формы частац:-

¡

~Uu

ai kAi AzJ

- " 1 Ai ai< ; At l l)Ua„]+(1- Ф)Мас

(3)

1 - — U/-1 + -- f 4- - 4-lusi)] + (1 - ?)Nc c

гда eq - дазлеетриче'ская пренмцага.гость вакуума,'<p - «Зъемная доля, твердого кагнзтика, v М " - плотность шг.Ехул в яадтам -носителе, а^ - молекулярная поляризуемость ^гйдэтго .носителя, L - фдокция Ланхаязена, хграктаризующая н&млгначентастр магнитной ^¡гаэдкости -а иатитнеи -полз, коэффициенты Ai я Аа дпягыттаг/кгго сфзро5»да лродстаалены'следаюи^м образа«:

А1= -

2з2е3

п

1-2й + ип

1-А1

1+е^ I. Ь2

Аг = •

2"

Лредстаалоны расчетная и экспериментальная зависимости коэота'.цигнтз отражения СЕЧ излучения от величины магнитного поля (риз.З), п.- 'ученные с-использованием соотношений (3), (4), покззыва'ощиа анизотропный характер отражения СВЧ волны от магнитной жидкости для р,-: - Езгимооркентаций постоянного магнитного и СВЧ электрического

полей. -

О 100 200 300 400 Н,3 а)

Я 0.50

0:45

0.40 0.35

0.30

7 1

— .....—

/ К

х] ^__ 2

0 200 400. 000 200 Н,3 Ь>

Рис.3. Теоретические (а) и гкспершснтапьныз (Ь) зависимости коэффициента отражения СВЧ ¡.излучения от Болтины н напрззлонкя магнитного поля »а частоте 27 ГГц: 1 - Е5|Н, 2 - ЕхН.

Сопоставление расчетных . и экспериментальных савкатегастей спедетельстзует об их хорошем качественном соотпзтсгоки. КопичосгЕгнноз несоотЕзтствкз тесрзтяческмх и г^еркментзльнь» ргзуяьтатоз может быть саъяснгко образованном з недштмой яэдтагти под дсйсп-ием капглтного поля цепочечных агломератов ферро?.?ал"Ш'.ых ч'псшц и их существенный влияние» на характер взашодзйствия с СВЧ излучением.

Чатаортый- раздал посвяцен исследование отличия фазовых процессов, происходящих- в тонком- плоском спос и объеме магнитной хэдкости.

'Теоретически показано, что пороговое поло струетурообразования в плоском" слое магнитной »¡едкости (толщина слоя 40 мял) при взаимно ортогональной ориентации магоитнсго паля и плоскости слоя имеет более высокое значений,• чем в -объеме магнитной жидкости. Это аызпаио упорядочением агломератов фгрромагнятных частиц в Саде гексагональной решетки, для чего необходимо более высокая энергия, чем в объема, где упорядочение ташго типа не наблюдается.

Экспериментально . устаноалачо, что а плоско?.} слое магнитной ■жидкости, при ориентация магнитного поля параллельно плоскости сна я, процесс образования агломератов ферромагнитных частиц наблюдается при меньших значениях магнитного поля, чем з объегла магнитно?, жидкости (рис.4), что может- быть- объжойио '-тем', что- в . расетатризаемсм спучаз подложка, ограничивающая объем магнитной жидкости создает ориантирукхцез влияние на рост агломерате« ферромашатных частиц. _

РисЖ. Экспериментальная зезисммость ..величина магнитного поля Н4,.при которое .размер аглойайратоз достигает. 100 ш, а объеме и плоском ....слое . иашитной дадности' от температуры; 1 - объем маоитгней хшдхосп!, 2 - плоский слой машитяой »мдкости.

3 пятом; разлапа исследовано ызздейстеие механических колебаний на внутреннюю структуру магнитной жидкости, наведенную «агитгкыыг полем. •Представлены экспериментальные результаты, " описывающие влияние . амплитуды механических колебаний ка-характер взаимодействия оптического и СВЧ излучения с магнитной жидкостью, помещенной в магнитное поле.

Показано, что механические колебания магнитной 'жодкостйг приводят разрушению агломератов ферромагнитных частиц и увеличивают пороговое значение магнитного поля структурообразовзнна магнитной жидкости.

Экспериментально обнаружено, что воздействие механических колебаний на магнетнуто жидкость приводит к уменьшению коэффициента отражения СВЧ излучения в случае параллельной ориентации векторов постоянного магнитного и СВЧ электрического полей, и напротив, к увеличению - в случае ортогональной ориентации, рис.5.

R

0.50 0.45 0.40 0.35 0.30

0 200 400 -600 800 Н,Э Рис.5. Экспериментальная зависимость коэффициента отражения СВЧ излучения мзтитмой гхидкосгги отвеличины и нэпраёлеиия магнитного поля при отсутствии и возбуждении, а ней механических колебаний: 1 - É|(H , А=0; 2 - BiH. А=0; 3> ВЦН", Á=t00 4-Б±Н,А=10анш.

В Заключении сформулированы основные результаты,-палученныг в * ходе выполнения диссертационной работы, и вызоды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые показам резонансный характер отражения СВЧ излучения от полубесханечного слоя магнитной жидкости в волноводе при изменении величины магнитного поля. Теоретически обаснсавиа и экспериментальна подтверждена возможность' определения ■ размеров ферромагнитных частиц магнитной жидкости по характеру отражения от нее СВЧ излучения в условиях ферромагнитного-.резонанса,- Причем'показано, что, изменяя частоту СВЧ излучения, можно существенным образом расширить диапазон. изг^зряеагых значений размеров частиц магнитной жидкости.

2. Впервые зкспяриментЕльно обнаружен :-.и •' объяснен •• сильно анизотропный характер .отражения СВЧ гаяучеяия от шптной. жидкости при различных ориентация* аоктороз постоянного • ' магнитного. • и - ..СВЧ электрического полей.

3. Пошаано отличяа фазовых процессов-в плоской спаз и объеме магнитной: жидкости. Устаноалено, что при ориентация , нитного поля параллельно ллоскоо"слоя- «агнитиой «едкости обрааозамиз аглагларатоз • фарромагнигных частиц яа6л;одается с.бодав слабых кагнитных полях, чем а объезде магнитной жидкости.

4. Обиартезно, ЧТО ШбрЗ'<ИЯ 'СЛОЯ МаГНИТНСЙ ЖИДКОСТИ, ПОМ8!Ц5ННОЙ а 'магнитное поле, приводит к изменению •дафраиутонной; картины прошедшего через • спой магнитной жийшети лазерного, .-йзл^чения; что . связано с разрушением внутренней структуры,- наЗедзниой *ла?>»ггк1^м полем.

5. Засяарийденталько устаноалено, что механические колебания ¿¡¡агнитной жидкости, помещенной- в магнЬтное полз, приводят к изменению характера отражения от нее СВЧ излучения. При этом, для параллельной

ориентации веетороз магнитного и СВЧ-электрического полей с ростом величины. иегмитмого гголя коэффициент отражения уменьшается,' в случае перпендикулярной ориентации - напротив, увеличивается.

основные результаты:-диссертации, опубликованы.

/ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Усансз Д.А., Скрвпаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Ермолаев СА Анизотропия отражений СВЧ излучения от ферромагнитной жидкости // Письма в ЖТФ.. 1992. Т.16. Вып.23. С.44-45.

2. усанов Д.А., Скрилаль А.В., Ериолаез С А- Резонансное-' отражение СВЧ излучения от магнитной жидкости.// Письма в ЖТФ. 1S32. Т. 19. Вып.16. С 4750.

, 3. Усаноэ ДА, Скркпаль А.Б., Ермолаез С.А. Визуальное наблюдение агломератов в объеме магнитной жидкости // Письма в ЖТФ. 1925. Т.21. Вьот<22. С.&1-84.

4. Усгмоз Д.А., Скрипапь А.В., Ермолаев СА, Паноз В.В. Исследование воздействия -механических колебаний ка процесс агломерации магнитной жидкости // Письма з ЖТФЛ9951 т.21". Вып.17. с.1-4.

S.lisanov DA, Siaipal A.V., Ermolaev S.A Microwave and ultrasound methods of size determination of ferromagnetic particles and agglomerates in magnetic fluid//Book of Abstracts of the 14th International Riga! Conference on Magnstoftydredyriamics. - Jurmsta. Latvia. 24-26 August, 18Э5. p. 203.

5. Усанов ДА, Скрилаль. AB., Ермолаез С А Определение размеров •феррсзлагнитных частиц по резонансу на СВЧ И Тезисы доклада VI Российской научно - технической конференции "Оптические, радисзолновые

тепловые методы и средства неразрушающего контроля" - Саратов. 1995. С.45.

7. Решение по заявке N 93055063 о выдаче патента на изобретение. Способ определения размера "ферромагнитных, частиц магнитной жидкости. II ДАУсаноз, А.В^фипаль, САЕрьшдаеа. 1994.

Подписано к печати Ш.о5ЛВг заказб? ОСьем 1 печ. лист. 100 экз. '

Типография издательства СГУ