Молекулярно-кинетический механизм электро- и магнитооптических явлений в магнитных жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Р Г Б ОД

1 5 ДЕК 1595

Скибин Юрий Николаевич

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРО- И МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических паук-

Ставрополь - 1996

Работа выполнена на кафедре общей физики Ставропольского государственного университета

Научный консультант;

Доктор физико-математических наук,

профессор

Владимир Васильевич Чеканов

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук,

профессор

Виктор Григорьевич Баштовой

Доктор физико-математических наук,

профессор

Вячеслав Михайлович Полунин

Доктор физико-математических наук,

профессор

Виктор Иванович Лебедев

Ведущая организация:

Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь

Защита состоится 27 декабря 1996 г. в 14°° час. на заседании диссертационного совета Д 064.11.03 в Ставропольском государственном техническом университете по адресу:

355038, Ставрополь, пр. Кулакова, 2, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ставропольского государственного технического университета. Отзывы о диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному выше адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан 25 ноября 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 064.11.03

кандидат технических наук, доиент

В. М. Кожевников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и направление исследований.

В начале 70-х годов внимание ученых привлекли ультрадисперсные композиционные материалы, получившие название "магнитные жидкости". Под магнитными жидкостями (МЖ) в настоящее время понимают коллоидные растворы ферромагнитных частиц размером порядка 10 нм. Благодаря столь малым размерам частицы находятся в интенсивном броуновском движении, препятствующим их оседанию'и обеспечивающим высокую макроскопическую однородность системы, а для предогвраицения коагуляции частиц в жидкую среду вводят поверхностно-активные вещества, образующие на поверхности частиц защитные адсорбционные слои.

Сочетание высокой намагниченности н текучести открывает широкие возможности технического использования МЖ. Наибольшую известность получили применения МЖ для парогазовой и вакуумной герметизации вращающихся валов, в магнитных опорах и подшипниках, в магнитожидкостных сепараторах немагнитных материалов, в демпфирующих устройствах измерительных приборов и громкоговорителей. Работа этих устройств основана на уникальных свойствах МЖ: способности сохранять однородность в течение многих лет, иметь в жидком состоянии сравнительно высокие магнитную восприимчивость и намагниченность насыщения, возможность синтезирования жидкостей с чрезвычайно низким давлением насыщенных паров.

Наряд}' 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 во внешних полях н поверхностными явлениями на границе твердое тело - жидкость.

Существенный вклад в решение этой задачи вносит изучение магнитооптических и элехтрооптичсских явлений (двойное лучепреломление, дихроизм, анизотропное рассеяние света) и динамики этих явлений в переменных полях. С молекулярно-кинетической точки зрения МЖ 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 и диполь-дипольное взаимодействие между частицами, проявляющееся в тенденции к образованию агрегатов.

Поэтому весьма актуальными представляются задачи исследования оптическими методами влияния межчастичных взаимодействий, ориен-тационных и пространственных корреляций частиц на свойства МЖ и процессы, развивающиеся в МЖ под действием электрического и магнитного полей.

Кроме того, указанные электро- и магнитооптические эффекты могут быть положены в основу практического применения МЖ для оптической дефектоскопии ферромагнитных изделий, изучения топографии магнитных полей сложной конфигурации, модуляции света.

В настоящей диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных б 1977-1996 годах. Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР на 1!-ю и 12-ю пятилетки по направлению 1.3 "Физика твердого тела", Постановлением Госкомитета СССР по науке и технике № 678 от 21.12.1983 г. "О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей", Комплексной программой Минвуза РСФСР на 11 пятилетку и на период до 1990 года по проблеме "Магнитные жидкости", Планами Минобразования РФ и Ставропольского государственного университета.

Цель работы:

- выяснение механизма и установление основных закономерностей электро- и магнитооптических явлений в МЖ и разработка новых применений последних в технике измерений и производственного контроля;

- разработка и теоретическое обоснование новых электро- и магнитооптических методов изучения структуры МЖ и физических характеристик коллоидных частиц;

- построение и экспериментальное обоснование модели оптической анизотропии, наведенной магнитным и электрическим полями, и установление связи с физико-химическими свойствами коллоидных частиц и их агрегатов;

- установление кинетических закономерностей электро- и магнитооптических явлений в переменных полях и разработка на их основе методов экспресс-анализа МЖ.

Научная новизна результатов работы.

1. Результаты экспериментального исследования рассеяния света и анализ полученных результатов на основе теории Ми, позволившие обнаружить асимметрию индикатрисы рассеяния и сделать вывод о том, что рассеяние света слабоконпентрировашшми МЖ определяется в основном агрегатами коллоидных частиц, размеры которых остаются значительно меньше длины волны видимого света.

2. На основе развития теории деполяризации рассеянного МЖ света, которая учитывает анизотропию коллоидных частиц, взаимную корреляцию флуктуации плотности к образование ассоциатов под действием магнитодипольных сил, показано, что измеренное значение коэффициента деполяризации света соответствует предложенной физической модели ассоциатов.

3. Сопоставление ИК-спектров раствора олеиновой кислоты в керосине и МЖ позволило выдвинуть и обосновать положение о двух механизмах хемосорбции молекул олеиновой кислоты на поверхности магнетита: с образованием сильной связи, при которой происходит диссоциация молекул кислоты, а взаимодействие со свободными электронами и дырками ноент коллективный характер; и с образованием слабой связи, при которой молекулы остаются электрически нейтральными и наблюдается локальное взаимодействие адсорбирующихся молекул с активными центрами адсорбции.

4. На основе статистической ориентационной модели получены макроскопические соотношения, устанавливающие взаимосвязь между компонентами тензора диэлектрической проницаемости среды, параметрами коллоидных частиц, их концентрацией, интенсивностью внешнего поля и температурой. Экспериментальные исследования двойного лучепреломления МЖ в электрическом и магнитном полях позволили установить адекватность ориентационной модели и разработать методику определения среднего магнитного момента коллоидных частиц МЖ по магнитооптическим измерениям.

5. Теоретические и экспериментальные результаты исследования оптической анизотропии, возникающей при одновременном воздействии на МЖ электрического и магнитного полей, впервые показали возможность индуцирования в МЖ двуосной анизотропии и компенсации эффектов Котгона-Мутона и Керра, при которой МЖ становится подобной одноосному отрицательному кристаллу.

6. Экспериментальное обоснование влияния концентрации ПАВ на возникновение фазовой неустойчивости в разбавленных МЖ, а также на величину критического магнитного поля, при котором возникает анизотропное светорассеяние. Установление прямыми опытами корреляция между степенью деформации капельных агрегатов и возникновением анизотропного светорассеяния.

7. Результаты опытного исследования структуры МЖ методом вращающегося магнитного поля и теоретический анализ полученных результатов на основе предложенной модели цепочечных агрегатов и механизма их разрушения вязкими силами, позволившие оценить расстояние между частицами в агрегате, толщину защитных оболочек н энергию магнитодипольного взаимодействия частиц.

8. Результаты экспериме! ггального исследования двойного лучепреломления в переменном магнитном поле, проведенного с целью изучения релаксации оптической анизотропии, и физическая модель процесса, построенная на основе представлений о броуновском и неелевском суперпарамагнетизме анизометричных частиц.

9. Впервые показано, что переменное магнитное поле индуцирует в МЖ оптическую нелинейность, обусловленную релаксационными процессами и проявляющуюся в том, что зависимости амплитуд высших гармоник оптического сигнала от интенсивности поля носят немонотонный характер и при некотором значении поля имеют глубокий минимум. Предложены способы уменьшения нелинейных искажений в устройствах обработки информации и разработано устройство для определения среднего магнитного момента и размера коллоидных частиц.

10. Разработанный и обоснованный нами экспериментально и теоретически метод исслсдобания магнитных полей сложной конфигурации с помощью магнитооптической ячейки, содержащей МЖ.

Научная и практическая значимость работы.

1. Исследования МЖ оптическими методами (рассеяние, поглощение и отражение света, оптическая инфракрасная спектроскопия, дифракционное рассеяннее света, метод вращающегося магнитного поля) позволили получить существенно новые сведения о внутренней структуре рассмотренных МЖ и адсорбционных явлениях на границе раздела фаз.

2. Научно обоснованы электро- и магнитооптические методы определения средних значений магнитного момента и размера коллоидных

частиц, регистрации и исследования топографии магнитных полей сложной конфигурации.

3. Разработаны способы экспресс-анализа дисперсного состава и фазовой неустойчивости МЖ, основанные на исследовании релаксации оптической анизотропии и кинетики анизотропного светорассеяния.

4. Результаты исследования условий возникновения в МЖ концентрированной фазы - капельных агрегатов использованы при разработке новых типов индикаторной магниточувствительной жидкости (A.C. [i3, 32, 33)) для дефектоскопии и визуализации скрытых магнитных изображении.

5. Эксперименты по внедрению коллоидных частиц магнетита внутрь клеток, основанные на пондеромоторном действии неоднородного магнитного поля и диффузии малых частиц в силовом поле, позволили предложить способ исследования жизнедеятельности клеток (A.C. [17, 18)), который может бьггь использован для маркирования клеток и непосредственного воздействия на клеточные структуры биологически активными веществами.

6. Предложенные нами решения ряда научных и технических задач, основанные на использовании уникальных свойств МЖ (A.C. [5, 10, 11, 14, 31, 34]), внедрены в производственную практику Вильнюсского конструкторского бюро магнитной записи, п/о "Внльма" (г. Вильнюс), п/о "Маяк" (г. Киев). Среди них устройство для контроля магнитных фонограмм, метод моделирования критических зон записи, способы определения: полей рассеяния магнитных головок, коэрцитивной силы носителя, положения магнитных головок в комбинированных блоках.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика и результаты экспериментального исследования двойного лучепреломления МЖ в магнитном поле, анализ полученных зависимостей разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей от концентрации коллоидных частиц, интенсивности внешнего поля и температуры, позволивший установить адекватность ориентационной модели возникновения анизотропии.

2. Физическая модель и теоретическое обоснование возникновения оптической анизотропии, обусловленной ориентацией во внешнем магнитном поле анизометричных частиц, обладающих неелевским суперпарамагнетизмом. Расчет интенсивности света, прошедшего слой МЖ при двойном лучепреломлении, результаты анализа полученных экспе-

риментальных зависимостей амплитуд гармонических составляющих, фазы и постоянной составляющей светового сигнала от частоты и напряженности внешнего поля.

3. Экспериментально обнаруженная оптическая нелинейность МЖ, проявляющаяся в том, что при двойном лучепреломлении в переменном магнитном поле имеет место немонотонная зависимость амплитуд высших гармоник оптического сигнала от интенсивности поля.

4. Методики, принципиальные схемы устройств и результаты измерения среднего магнитного момента и степени дисперсности частиц МЖ по магнитооптическим измерениям в постоянном и переменном магнитных полях.

5. Эффект индуцирования двуосной оптической анизотропии в МЖ при одновременном воздействии на нее электрического и магнитного полей, а также механизм компенсации эффектов Коттона-Мутона и Керра, при которой МЖ подобна одноосному отрицательному кристаллу.

6. Магнитооптический метод визуализации, измерения и изучения конфигурации магнитного поля.

7. Положение о двух механизмах хемосорбции молекул олеиновой кислоты на поверхности магнетита и преобладании сильной связи, сопровождающейся их диссоциацией.

8. Экспериментальное обоснование определяющей роли термодинамической неустойчивости МЖ в явлениях рассеяния света, инверсии экстшжции и анизотропном светорассеянии в магнитном поле.

9. Результаты экспериментального исследования и теоретическое обоснование деполяризации света, рассеянного МЖ, с учетом флуктуации концентрации, флуктуации ориентации частиц и анизотропии тензора поляризуемости ассоциатов в щшольнон системе.

10. Методика опытного исследования структуры МЖ методом вращающегося магнитного поля, физическая модель разрушения цепочечных агрегатов в потоке вязкой жидкости, оценки расстояния между частицами в агрегате, толщины сольвагных оболочек и энергии магнито-дипольного взаимодействия частиц в агрегате.

11. Способы приготовления индикаторных средств для магнитной дефектоскопии и визуализации магнитных полей рассеяния.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Уральской конференции по применению магнитной гидродинамики в металлургии (Пермь, 1974); на Восьмом (1975), Девятом (1978), Десятом (1981), Двенадцатом (1987) и Тринадцатом (1990) рижских совещаниях по магнитной гидродинамике; на семинаре по прикладной магнитной гидродинамике в Перми (1978); на 15-ой (Свердловск, 1981), 16-ой (Тула, 1983), 18-ой (Калинин, 1988) Всесоюзных конференциях но физике магнитных явлений; на 11(1981), Ш (1983), IV (1985), V (1988), VI (1991) Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям в Иваново; на 111 (Ставрополь, 1986), IV (Душанбе, 1988), V (Пермь, 1990) Всесоюзных совещаниях по физике магнитных жидкостей; на Пятой международной конференции по магнитным жидкостям (Рига, 1989); на Всесоюзной конференции по электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий (Омск, 1983); на Всесоюзных конференциях в Вильнюсе: Основные вопросы техники магнитной записи (1984), Проблемы конструирования и технологии производства сендастовых магнитных головок (1986), Математическое моделирование при проектировании магнитных головок для аналоговой и цифровой звукозаписи (1988).

По теме диссертации опубликовано 68 работ, получено 11 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 320 страниц текста (без приложения), 2 таблицы, 81 рисунок, список литературы из 385 наименований. Приложение на 13 страницах содержит акты внедрения завершенных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Первая глава Hocirr в основном обзорный характер и содержит сведения об объекте экспериментального исследования, краткое описание физических моделей, молекулярно-кинетических, оптических свойств МЖ, анализ некоторых оптических методов исследования структуры магнитных коллоидов.

Вторая глава посвящена исследованию-оптических сёойств и структуры макроскопически изотропной МЖ методами рассеяния света, абсорбционной спектроскопии и отражательной рефрактометрии.

В первом разделе этой главы описывается методика и результаты исследования рассеяния света слабоконцентрированной МЖ. Показано, что в исследованном диапазоне длин волн 0,3 - 0,64 мкм интенсивность светорассеяния пропорциональна Л". В пределах ошибок эксперимента показатель степени при Я не отличается от четырех, что свидетельствует о достаточно малых размерах рассеивающих центров.

Вместе с тем, величина наблюдаемого эффекта значительно превышает значение, которое можно ожидать в соответствии с теорией Рэлея в предположении, что рассеяние света происходит на одиночных частицах размером 10 им. Кроме того, индикатриса рассеяния лазерного луча носит асимметричный характер с преобладанием рассеяния в сторону меньших углов. Численный расчет светорассеяния по теории Ми показал, что наибольший вклад в рассеяние света слабоконцентрированной МЖ дают агрегаты коллоидных частиц. При неплотной упаковке частиц экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с теорией Ми для агрегатов со средним радиусом 70 им.

Изотропная в макроскопическом смысле МЖ проявляет анизотропные свойства при переходе к мнкрообъемам, размеры которых сравнимы с длиной световой волны. Диполь-дипольное взаимодействие между частицами приводит к взаимной корреляции магнитных моментов и осей анизомстричных коллоидных частиц МЖ, поэтому рассеяние света МЖ сопровождается его частичной деполяризацией. Значение коэффициента деполяризации для различных образцов МЖ колеблется от 0,042 до 0,065 в зависимости от срока хранения. У старых коллоидов он оказался несколько меньше.

Для модели неидеального днпольного газа классическая теория рассеяния света дает коэффициент деполяризации в виде:

V)

45агр+4(уг)

Коэффициент деполяризации рассеянного света выражается через след тензора поляризуемости

+ а3-За (2)

и среднюю анизотропию тензора поляризуемости

\Гг) = | {a^-al)2 + («i - *з)2 + («2 -«з)2

(3)

Коэффициент Р, характеризующий отклонение диполыюго газа от идеального, определяется в рамках теории Орнштейпа - Цернике отношением изотермической сжимаемости реального дипольного газа к изотермической сжимаемости идеального газа при той же температуре. Полагая, что для быстро убывающих сил диполь-диполыюго взаимодействия радиус ближней корреляции ограничен радиусом первой координационной сферы, получим для частиц магнетита со средним размером 11 нм при объемной концентрации 0,1% и температуре 300 К значение коэффициента /? = 0,76.

Расчет главных значений а, и анизотропии тензора поляризуемости <у2> проведен для днмеров при различной степени несферичности частиц, характеризуемой отношением малой оси к большой Ь/а. Расстояние между центрами частиц варьировалось от Я = 2л (непосредственный контакт между частицами) до бесконечности. Результаты расчета представлены на рис. I.

-7-/— I !- ■ ' г.- з.- .5 С'

Рис. 1. Анизотропия поляризуемости в зависимости от несферичности частиц при различном расстоянии между их центрами: КУг= 2(1);2,2(2);2,5(3);3(4);4(5); «(6).

i/ к:

I V.n о.ь ''.■» Ь/а Экспериментальным значениям коэффициента деполяризации, лежащим в интервале от 0,042 до 0,065, могут соответствовать различные расстояния между центрами частиц при различной степени анизомет-ричности частиц. Область возможных значений R и а/Ь выделена на рисунке штриховкой.

Ослабление интенсивности света, проходящего через слой МЖ, связано с его поглощением и рассеянием. В спектральной области 0,32-1,1 мкм максимум пропускания света лежит в области 0,76 мкм. Экстраполяция концентрационной зависимости показателя поглощения в область высоких концентраций показывает, что даже для концентриро-

ванных МЖ величина показателя поглощения значительно меньше единицы и в этом смысле МЖ можно считать слабопоглощающнми.

Раздел 2.4 посвящен изучению структуры МЖ методом ИК-спек-троскопии. Показано, что взаимодействие ПАВ с поверхностью магнетита может сопровождаться диссоциацией молекул олеиновой кислоты. В образующемся карбоксилатанионе электронная плотность равномерно распределена между атомами кислорода, поэтому вместо одной полосы валентных колебании связи С - О в спектре МЖ появляются две новых полосы поглощения с максимумами при 1460 см4 и 1370 см1, которые относятся соответственно к асимметричным и симметричным колебаниям группы СО О- иона карбоксилата; адсорбированного на твердой поверхности.

Вместе с тем, при хемосорбцни может наблюдаться локальное взаимодействие адсорбирующихся молекул с активными центрами адсорбции, при котором молекулы олеиновой кислоты остаются электрически нейтральными. Перераспределение электронной плотности вблизи центра адсорбции приводит к уменьшению частоты колебаний связи С = О и, по-видимому, объясняет появление слабой полосы поглощения при 1600 см4. Наличие в спектре магнитной жидкости полос поглощения, соответствующих колебаниям v(COO-), и полосы 1600см4 свидетельствует о возможности реализации обоих механизмов хемосорбции.

Для пика широкой полосы поглощения 650-550 см4 в ИК-спектре МЖ рассчитан коэффициент поглощения. Сравнение его величины с результатами, полученными другими исследователями для коллоидного и для массивного магнетита, позволяет утверждать, что возникновение этой полосы поглощения связано с собственными колебаниями кристаллической решетки магнетита.

В 2.5 исследуются свойства МЖ методом отражательной рефрактометрии. Показана возможность определения показателя преломления концентрированной магнитной жидкости по характеру отражения света от свободной поверхности МЖ.

Третья глава посвящена исследованию молекулярно-кинетических механизмов оптических явлений, индуцированных в МЖ постоянными электрическим и магнитным полями.

В первом разделе главы рассматривается механизм возникновения анизотропии в простейшей одночастичнои модели сильно разбавленной МЖ, когда взаимодействием между частицами можно пренебречь. Предполагается, что коллоидные частицы МЖ имеют форму эллипсои-

дов вращения и находятся в интенсивном тепловом движении, которое может быть поступательным и вращательным. Показано, что доя осе-симмстрнчных частиц магнетита магнитная анизотропия формы становится преобладающей по сравнению с кристаллографической анизотропией, если отношение осей частицы не превышает 0,9. Это означает, что во внешнем поле аннзометричные частицы ориентируются главными геометрическими осями вдоль поля.

Анизотропию среды в этом случае описывают с помощью тензора ориентации Sявляющегося мерой дальнего ориентационного порядка:

£й= (3<л, пк > ■ 6,^2, U = 1.2,3. (4)

Здесь rtj и пк - компоненты единичного вектора п , совпадающего с геометрической осью частицы. В рассматриваемой модели вклад отдельных частиц в поляризацию среды представляет собой аддитивную величину, а макроскопический тензор диэлектрической проницаемости МЖ связан с тензором ориентации соотношением

£lt=e(Slt+èeSlt). (5)

где £ - диэлектрическая проницаемость изотропной среды, а b - коэффициент, характеризующий поляризуемость частицы.

Для слабоконцентрированнон МЖ можно ограничиться линейным приближением при Ьс8ц«\ и записать разность показателей преломления лучей света, поляризованных параллельно и перпендикулярно полю, в виде:

An = 3/4 (nbcSu). ' (6)

Таким образом, результатом ориентации геометрических осей твердых частиц во внешнем поле является возникновение оптической анизотропии. При этом могут наблюдаться два предельных случая. Если длинные оси всех частиц ориентированы вдоль выделенного направления, то S!3 = I, a 0. Если оси частиц перпендикулярны выделенному направлению, то - 1/2, a Slt = Sj2 = 1/4. В промежуточных состояниях при 0<Sjj<1 разность Ап>0 и анизотропный коллоидный раствор подобен положительному одноосному кристаллу. При -1/2 < Si} <0 разность An <0 и раствор подобен отрицательному одноосному кристаллу.

Вычисление макроскопического тензора ориентации (4) и разности показателей преломления (5) сводится к нахождению среднего значения произведения компонентов вектора п:

( <ппг= (7)

где Wg~exp(-U/kT) - стационарная функция распределения векторов п и е = m/m в формеГиббса.

Для разности показателен преломления света, поляризованного вдоль и поперек выделенного направления ориентации частиц, имеем в линейном приближении по o-KVfkT\

An = — tibc <т 10

1-М

(8)

где Ц.4)= 4 • - функция Ланжевена, £ = ццГпН/кТ. Полученное выражение описывает зависимость индуцированной оптической анизотропии от величины магнитного поля и температуры, которые входят в (8) в неявном виде через £ и ст\

В разделе 3.2 описаны методика и результаты экспериментального исследования оптической анизотропии МЖ в постоянном магнитном поле. Разности показателей преломления и показателей экстинкцин обыкновенного и необыкновенного лучей рассчитывались но измерениям эллиптичности луча, прошедшего анизотропную среду. При этом поляризатор был закреплен неподвижно под углом 45° к оси анизотропии, а измерялись углы поворота компенсатора и анализатора.

При изотермическом намагничивании соотношение (8) достаточно хорошо описывает наблюдаемое экспериментально магнитное двойное лучепреломление, что свидетельствует в пользу ориентационной модели возникновения анизотропии.

В области сильных магнитных полей 1 в асимптотическом

приближении (8) для двух значениях поля Н и Нв можно записать:

Ап 1-3/£

Д"о 1-3/

(9)

Соотношение (9) можно использовать для определения магнитного момента коллоидных частиц. Представив результаты измерения разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в координатах Ап/Апо и К1 (рис. 2), заметим, что эта зависимость в области сильных магнитных полей является линейной с угловым коэффициентом, равным в рассмотренном случае 28,6- 103 кА/м. При температуре 300 К это значение углового коэффициента соответствует магнитному моменту частицы т = 3,4- 1019 А - м2.

ИЧО», м/А

Рис. 2. Зависимость разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей от Н~'.

Принимая, что частицы имеют форму, близкую к сферической, можно по значению магнитного момента оценить размеры частицы. Если намагниченность насыщения магнетита М^ - 480 кА/м, то для найденного магнитного момента такая оценка дает средний объем частиц V = 7- 10 25 мз. Этот результат близок к элек-тронномикроскопиче-ским измерениям, согласно которым для данной МЖ среднее значение объема частиц равно V- 12 - 10 25 м3. Электронно-

микроскопические измерения дают несколько больший объем частиц по сравнению с магнитооптическими измерениями, так как ферромагнитные частицы имеют немагнитный поверхностный слой, толщина которого по нашим данным оказалась около I нм.

Броуновское движение коллоидных частиц оказывает дезориентирующее действие на анизотропию МЖ. При повышении темпе-ра!уры тепловая энергия частиц кТ увеличивается и, как следует из формулы (8), величина двойного лучепреломления должна довольно сильно зависеть от температуры. На рис. 3 представлены результаты измерения разности показателей преломления лучей при двух значениях величины магнитного поля: 160 и 560 кА/м и результаты расчета по формуле (9) зависимости Ап> Ап0=/[Т) при Н = 160 кА/м (сплошная ли-

Рнс. 3. Зависимость разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей от температуры в полях: • - 160 н □ - 560 кАУм. Линии - расчет.

ния), и при Н --> «л (штриховая линия). Как видим, ориентаннонная модель качественно правильно описывает и эти экспериментальные результаты.

В 3.3 рассматривается механизм ориентации анизотропных поляризующихся частиц внешним электрическим полем. Так как размер частиц значительно меньше длины волны видимого света, то поле световой волны, поляризующее частицу, можно считать однородным. Для таких частиц тензор поляризуемости аа определяется диэлектрической проницаемостью твердых частиц и окружающей среды, а также связан с тензором деполяризующих коэффициентов Л7^.

Вычисляя статистическую функцию распределения осей частиц в электрическом поле Е, имеем при малом значении параметра V = Аас^уЕ1 I 2кТ для разности показателей преломления обыкновенного и обыкновенного лучей выражение:

• Д/г= — пЬск. (10)

10

Чтобы избежать структурных изменений МЖ, вызванных продолжительным воздействием электрического поля, в экспериментах мы использовали низкочастотное электрическое поле, изменяющееся с периодом много большим, чем времена орнентационной релаксации отдельных частиц, но малым по сравнению с характерным временем сближения частиц на такие расстояния, при которых образуются агре-гативные структуры.

В разделе 3.4 рассматривается молекулярно-кинетический механизм возникновения оптической анизотропии в разбавленной суспензии невзаимодействующих коллоидных частиц при совместном воздействии электрического и магнитного полей. При этом зависящая от ориентации часть свободной энергии поляризующейся частицы определяется положениями магнитного момента и оси легкого намагничивания относительно направления магнитного поля, а также ориентацией главной оси частицы относительно направления электрического поля:

и = -^0тН(еЬ)-КУ(еп^-^ Дшг0£г(Вп)2/2; ё = Е/Е. (11)

В постоянных и квазистационарных полях, когда время броуновской релаксации отдельных частиц значительно меньше периода переменного поля, состояние суспензии в каждый момент времени можно считать равновесным. Это позволяет использовать для описания распределения осей частиц в пространстве формулу Гиббса:

Ж0=2"'ехр[.£(е|1)+ ст(еп)2+*-^п)2 ], (12)

где статистическая сумма 2. определяется по обычным правилам из условия нормировки функции на единицу. Нахождение распределения (12) в общем виде при произвольных значениях Н и Е представляет сложную задачу, поэтому, ограничиваясь предельным случаем слабых полей и линейными членами первого порядка в разложении функции распределения (12) по степеням <т и к, получим для тензора в явном виде:

1

=

(13)

В случае одновременного действия постоянных электрического и магнитного полей тензор ориентации оказывается аддитивным по отношению к Н и Е, а выражение (13) представляет собой сумму соответствующих соотношений при действии только магнитного или только электрического полей. Тензор ориентации вычисляли в предположении, что электрическое поле Е направлено вдоль оси у, а вектор магнитного поля Н лежит в плоскости ху и составляет с осыо^ (и вектором Е) угол Р. Главные оси тензора SS( оказываются повернутыми относительно выбранной системы координат на некоторый угол, определяемый соотношением

= ^яп!/? . (14)

а12 ссв 2^9 +

Соотношения (13) и (14) позволяют привести к диагональному виду и найти главные значения тензора диэлектрической проницаемости МЖ. В общем случае е3, что характерно для трехосного эллипсоида, соответствующего кристаллам низших сингоний. В такой среде имеется два направления (оптические оси), вдоль которых свет распространяется, не испытывая двойнойэ лучепреломления. По оптическим свойствам МЖ становится подобной двуосным кристаллам.

Из формулы (14) следует, что главные оси тензора ориентации частиц, а значит и главные оси диэлектрического эллипсоида, совпадают с направлениями электрического и магнитного полей только в тех случаях, когда р-0 или /?= я\/2. В первом случае (/7=0) электрическое и магнитное поля совпадают по направлению и жидкость подобна одноосному кристаллу, для которого Дл > 0, то есть жидкость подобна положительному кристаллу.

Во втором случае, при /?= к.П., электрическое и магнитное поля ортогональны. Для главных значений имеем следующие выражения:

;е3 = е(1-2йс1з),+ к). (15)

£1,2 = £] 1 + ЬС

L, ± — laL, ■ 3 10V ^

Диэлектрический эллипсоид в этом случае остается трехосным, а положение оптических осей определяется соотношением между магнитным и электрическим полями. Можно подобрать такие величины Е и Н, при которых будет выполняться условие

oh

к =0.

(16)

Тогда, согласно (15), - ег > е3 и МЖ при ¡3=я.!2 также стано вится подобной одноосному кристаллу, но теперь оптическая ось анизотропной среды направлена вдоль оси 2, а разность показателей пре ломления необыкновенного и обыкновенного лучей

Дл = - + к).

(17)

В данном случае Дл< 0 и наблюдается преимущественная компланарная ориентация осей частиц типа: "легкая плоскость" в плоскости ху. При распространении луча света вдоль оси 2 его разделения на необыкновенный и обыкновенный не происходит и двойного лучепреломления не наблюдается. Таким образом, условие (16) отвечает особой ситуации, при которой в МЖ возникает взаимная компенсация

эффектов Керра и Котго-на-Мутона. Это явление специфично именно для МЖ и не имеет аналогов в оптике обычных коллоидов.

На рис. 4 приведены результаты измерения напряженности магнитого поля Н и величины электрического поля Е, при которых выполняется условие (16). Проверка соотношений, определяющих положение главных осей диэлектрического эллипсоида и оптических осей анизотропной МЖ, показала, что

2 4 6

Рис. 4. Пояснения в тексте.

Е, Ю5 В/и

расхождение экспериментальных результатов с теорией не превышает погрешности измерений.

В 3.6 и 3.7 приводятся результаты исследования структуры МЖ по анизотропному поглощению и анизотропному рассеянию света. Если явление двойного лучепреломления может быть объяснено ориентацией коллоидных частиц, то в явлениях дихроизма и анизотропного рассеяния света определяющую роль играют агрегаты частиц. Магнитооптические агрегационные эффекты обычно сопутствуют магнитооптическим ориентационным эффектам, и разделение этих эффектов представляет интерес как с точки зрения изучения оптических явлений в МЖ, так и с точки зрения изучения структуры МЖ.

В разбавленной МЖ обнаружено образование концентрированной фазы в виде капельных агрегатов. Этот процесс имеет характер коацер-взции, когда частицы сближаются настолько, что образуют общие сольватные оболочки. Однако частицы, собираясь в капли, сохраняют свои собственные стабилизирующие оболочки, благодаря чему могут свободно перемещаться внутри капель, а сам процесс коацервации обратим. В магнитном поле капельные агрегаты вытянуты вдоль силовых линий поля в виде веретен. Процесс образования капельных агрегатов зависит от величины магнитного поля, температуры, концентрации ПАВ в растворе, дисперсного состава МЖ и сопровождается инверсией экстинкции проходящего света и возникновением дифракционного рассеяния света.

Показано, что в неоднородном магнитном поле МЖ можно разделить на две фракции, одна из которых имеет более высокую концентрацию твердой фазы, более крупные частицы, обладает инверсией экстинкции света и анизотропно рассеивает свет во внешних магнитных полях. Другая же фракция такими свойствами не обладает, что свидетельствует о том, что капельные а1регаты образуются вокруг сравнительно крупных ферромагнитных частиц и под действием пондеромо-торных сил могут быть отделены от основной массы сепарированием в неоднородном магнитном поле.

Формирование крупных капельных агрегатов осуществляется за счет слияния более мелких капель. Характерное время данного процесса может изменяться от нескольких минут до десятков секунд в зависимости от величины магнитного поля. Увеличение концентрации частиц приводит к уменьшению среднего расстояния между частицами и уменьшению времени образования агрегатов.

Обнаружено, что в слабоконцентрнрованнои и агрегативно устойчивой МЖ возможно образование агрегатов при разбавлении исходной МЖ раствором ПАВ. При этом концентрация ПАВ существенно влияет на размер образующихся агрегатов, величину порогового поля, при котором возникает анизотропное светорассеяние, и характерные времена релаксации оптических явлений.

В 3.8 исследуется взаимодействие коллоидных частиц анизотропной МЖ методом вращающегося магнитного поля. Угол 9 между направлением внешнего магнитного поля Н, вращающегося со скоростью со, и осью анизотропии определяется балансом сил внутреннего трения и пондеромоторных сил, действующих на магнитные частицы. Рассмотрен случай, когда магнитодипольное взаимодействие приводит к образованию под действием внешнего магнитного поля цепочечных агломератов. При малых скоростях агломераты вращаются как целое, но при повышении скорости о> возрастает момент вязких сил, что приводит к разрушению цепочек. Зависимость 9{со) становится при этом нелинейной (рис. 5). На основе модельных представлений удалось оценить энергию дипольного взаимодействия частиц в цепочечном агрегате, которая для данного эксперимента составляла ~0,1 кТ.

При достаточно - большой скорости вращения агрегаты мотут быть разрушены до отдельных частиц, а зависимость 9(ю) вновь становится линейной. Наличие стабилизирующей оболочки и немагнитного поверхностного слоя приводит к тому, что гидродинамический объем частицы, определяющий интенсивность броуновского движения, может значительно отличаться от объема твердого ядра, определяющего магнитный момент частицы.

Для отношения гидродинамического объема частицы к объему магнитного керна получено значение Кг/Ки= 12.

Четвертая глава посвящена исследованию релаксационных явлений и кинетики индуцированного двойного лучепреломления в переменных

Рис. 5. Зависимость ■9(й) ) от скорости Бращснвя кзоасты при Н = 6 (I); 100 (2); 240 (3) кА./м.

магнитных полях. В МЖ равновесная ориентация магнитных моментов гвердых частиц во внешнем магнитном поле достигается за счет поворота магнитных моментов относительно частиц или за счет вращения самих часгиц относительно несущей жидкости. 'Эти механизмы релаксации характеризуются соответственно временем неелевской релаксации т н, определяемым тепловыми флуктуациями магнитного момента, или броуновским временем вращательной диффузии г^-УУг\/кТ. Бели время измерений превышает т}] и Тд , то средний магнитный момент однодоменной коллоидной частицы в отсутствие поля равен нулю, и коллоидный раствор макроскопически характеризуется суперпарамагнитными свойствами. В 4.1 рассматривается механизм ориентации неелевских суперпарамагнитных частиц переменным магнитным тюлем.

Если внешнее магнитное поле изменяется с некоторой частотой со, такой, что выполняется условие !/&> > г ^,то состояние системы в любой момент времени можно считать квазистационарным. В гаком переменном поле супернарамашитная частица приобретает средний магнитный момент, величина которого определяется законом Ланжевена, а направление совпадает с ориентацией внешнего магнитного поля.

Изменение во времени ориентационного распределения главных осей эллипсоидальных часгиц И'(п,/) осуществляется в результате броуновского вращательного движения частиц и описывается уравнением Фоккера-Планка. Определяя среднее значение компонентов в

приближении ет < 1, находим уравнение, описывающее движение макроскопического тензора ориентации в виде линейного релаксационного закона

+ /)(4 А (18)

3 171 Ъ 3

В периодическом линейно поляризованном вдоль оси ъ поле оптическая анизотропия МЖ осциллирует с удвоенной частотой, при этом вследствие внутреннего трения осцилляции происходят с некоторым отставанием по фазе ф от магнитного поля. Амплитуда колебаний прн увеличении частоты приложенного магнитного поля уменьшается по дебаевскому релаксационному закону.

В 4.2 и 4.3 описывается методика и приводятся результаты исследования двойного лучепреломления в переменном магнитном поле. Интенсивность света, прошедшего скрещенные поляроиды при двойном лучепреломлении среды, равна

где ]д - интенсивность падающего света, а разность фаз О между компонентами светового луча с колебаниями, параллельными полю и перпендикулярными ему, выражается в общем виде формулой

8-А +5соб(2«/ - ф). (20)

Оптический сигнал (19) описывается периодической функцией, которую можно разложить в ряд Фурье, коэффициентами которого являются функции Бесселя. Ограничиваясь конечным числом членов разложения (19), получим дисперсионные соотношения

I

(2е>)

А'

2(1+ 4<у2г2)1/г

{с_ 1о

А* 4

1 +

1

2^1 + 4й)2г2

)

(21)

1.0

0,5

которые использовались для экспериментальной проверки предложенного механизма ориентации суперпарамагнитных частиц. I, отн.ет. На рис. 6 приведены резуль-

таты измерения амплитуды первой гармоники интенсивности

прошедшего света ¡^ (темные точки) и постоянной составляющей ]с (светлые точки) для одного из образцов магнитной жидкости, разбавленной до объемной концентрации магнетита 0,1%. За единицу интенсивности прошедшего света принято значение на частоте 22 Гц. Теоретические кривые на рис. 6 построены по формулам (21).

Причина некоторого расхождения теории с экспериментом заключается в том, что МЖ наряду с суперпарамагнитными частицами содержит некоторое количество магнитожестких частиц. Релаксация их магнитных моментов осуществляется путем поворота частицы как целого. Такие магнитожесткие частицы вносят вклад, пропорциональный (1 +<огхг)-2. Учет этого вклада в зависимости 1{а>) приводит к увеличению постоянной составляющей интенсивности прошедшего света по сравнению с теоретической кривой при ах < 1, как это и наблюдается в эксперименте.

0

Ю2 Ю3 10" <у,с'

Рис. 6. Интенсивность прошедшего света в переменном магнитном поле: 1-амплитуда первой гармоники, 2 - постоянная составляющая.

Анализ приведенных результатов показывает, что в зависимости от технологии приготовления МЖ время релаксации их оптической анизотропии может изменяться в довольно широких пределах - от десятков микросекунд до миллисекунд. Полагая, что равновесное состояние, определяющее оптическую анизотропию, достигается в результате броуновской вращательной диффузии с характерным временем хв, найдем для жидкости с вязкостью г] = 2,7 мПа-с при комнатной температуре полный объем частицы V - 1,С 10 23 м3. По данным электронно-микроскопических измерении средний размер частиц в этой жидкости 1,1 • Ю ' м. Таким образом, отношение гидродинамического объема частицы к объему твердого ядра оказывается равным » 15, что согласуется с данными, полученными во вращающемся магнитном поле, где для этого параметра было найдено значение « 12.

При исследовании зависимостей амплитуд гармонических составляющих оптического сигнала от величины магнитного поля (раздел 4.3) обнаружено, что если амплитуда первой гармоники 11а2а> монотонно увеличивается с увеличением амплитуды переменного магнитного поля, то полевые зависимости высших гармоник носят немонотонный ррак-тер и при некотором значении поля имеют глубокий минимум.

На рис. 7 приведены зависимости второй (кривая 1) и третьей (кривая 2) гармонических составляющих интенсивности света от действующего значения переменного магнитного поля частотой 43 Гц. Положение минимума на полевых зависимостях высших гармоник в изотермическом режиме зависит от величины магнитного момента коллоидных частиц, что может быть использовано для определения среднего объема магнитного керна коллоидных частиц.

Предложено на основе магнитооптических измерений в переменном магнитном поле проводить экспресс-анализ МЖ, сущность которого

23

I ,'тн.с.:.

о го -ю '/, кЛ/м

Рнс. 7. Амплитуда гармонячссхих составляющих интенсивности света в леремснноы магнитном поле на частоте4со нбш .

заключается в том, что снимаются амплитудно-частотная характеристика гармонической составляющей /¿^(ш) и зависимость от амплитуды внешнего магннтного поля составляющей Затем по времени

релаксации оптической анизотропии находим гидродинамический объем коллоидной частицы вместе с защитной оболочкой, а по положению минимума на зависимости - величину среднего магнитного

момента твердой частицы и объем ее магннтного ядра.

В 4.5 рассматриваются особенности возннкновення в МЖ оптической анизотропии при одновременном воздействии взаимно ортогональных постоянного магнитного и переменного электрического полей. При низкой частоте электрического поля (coi«l) релаксационные явления можно не учитывать и дляразностн показателей обыкновенного и необыкновенного лучей имеем:

¿ш = 1 «¿|(<т/2 - у) - у COS2üüí •2

(22)

где к0 =Ло£0£,5 12кТ. Гармонический анализ оптического сигнала показывает, что при выполнении условия

аЦ - К(/1 = 0 (23)

из спектра оптического сигнала выпадают составляющие сигнала с частотами 2ю, бсо, Юсо, ...

Сравнение полученных с помощью (23) значений компенсирующего электрического поля Ее результатами, представленными на рис. 4 пр» одинаковых значениях постоянного магнитного поля Н, показывает их полное соответствие. Расхождение не превышает 6% и находится в пределах ошибок эксперимента.

Измерение компенсирующего электрического поля с помощью описанной методики оказывается даже предпочтительнее аналогичных измерений в постоянных и квазистационарных полях в связи с тем, что применение переменного электрического поля позволяет избежать нежелательных электрофоретнческих и прнэлектродных явлении в магнитном коллоиде. Кроме того, измерения в постоянном магнитном поле не требуют фазовой синхронизации электрического и магнитного полей.

Пятая глава посвящена разработке практических применений МЖ в технике измерений и производственного контроля, а также разработке новых магниточувстаительных жидкостей для визуализации скрытых магнитных изображений.

I

Магнитооптический эффект двойного лучепреломления в МЖ может быть использован для исследования пространственного распределения магнитного поля в моделях МГД-каналов, в рабочих зазорах МГД-насосов и электрических машин, для проверки центровки магнитных линз. Этот метод имеет значительные преимущества при изучении магнитных полей в малых объемах, например, поля магнитной головки. Интенсивность света, прошедшего скрещенные поляроиды, согласно формуле (19) минимальна, если поле отсутствует (о =0), или напряженность поля такова, что сдвиг фаз оказывается кратным 2 и (вследствие насыщения и низкой прозрачности коллоида этот случаи обычно не реализуется). Интенсивность поля будет минимальной и в тех точках поля, где направление поля совпадает с плоскостью колебаний вектора Е световой волны (Р=0) или перпендикулярно ему (Р = л/2). Эти точки образуют темные линии, которые называют "изоклиническими". Поворачивая скрещенные поляроиды на известные углы, можно построить систему изоклинических линий, а по ним - картину поля.

а) , б)

Рис. 8. Фотография визуализированного поля магнитной головки.

На рис. Я представлены фотографии магнитной головки с рабочим зазором 8 мкм при двух положениях скрещенных поляроидов. На рис. 8а плоскость поляризатора направлена перпендикулярно рабочей поверхности магнитной головки, а на рис. 86 - под углом 45°. Обладая предварительной информацией о симметрии поля, можно определить положение эквипотенциальных и силовых линий магнитного поля.

Интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор -ячейка с МЖ - анализатор, для данной ячейки определяется согласно

(8) и (19) положением поляроидов относительно направления магнитного поля и величиной поля. Это означает, что можно изготовить датчик с известными оптическими характеристиками МЖ и, фотометрируя отдельные участей поля, определить величину поля.

Результаты измерения амплитудно-частотной зависимости двойного лучепреломления говорят о том, что постоянная составляющая интенсивности света практически не изменяется вплоть но 150 кГц. Это означает, что магнитооптический метод можно применять для изучения переменного магнитного поля, например, поля стирающих магнитных головок на рабочей частоте 40-80 кГц.

Магнитооптический эффект двойного лучепреломления в МЖ оказывается довольно чувствительным к магнитному полю и легко наблюдается в полях кА/м. Поэтому нами предложено использовать этот эффект для дефектоскопии ферромагнитных изделий. Отличительной особенностью магнитооптического метода является'его некрптичность к градиенту магнитного поля, что позволяет применять его, наряд)' с другими магнитными методами, для обнаружения нарушений сплошности, участков с повышенной концентрацией остаточных механических напряжений, пережогов и других дефектов, связанных с изменением магнитных свойств материала.

При этом могут использоваться следующие способы визуализации магнитного поля рассеяния: 1) небольшие по размеру детали (~10 мм) . помещаются непосредственно в разбавленную МЖ; 2) магнитооптический датчик, представляющий собой капиллярный слой концентрированной. МЖ между двумя стеклами (объемная концентрация твердой фазы до 2%), размещается перпендикулярно поверхности детали; 3) на исследуемую поверхность наносится слой жидкости и наблюдение ведется при отражении поляризованного света от полированной поверхности детали.

' а) 6)

Рис. 9. 1)и7уализа«ня дефекта на стальной полосе толщиной 1 ии.

На рис. 9а представлена фотография стальной полосы толщиной 1 мм с трещиной глубиной 0,25 мм, а на рис. 96 - фотография той же полосы, помешенной в МЖ, в поляризованном свете. Визуализация магнитного поля, рассеянного дефектом, осуществляется первым способом. Внешнее магнитное поле направлено вдоль полосы, а поляризатор установлен параллельно полю. Хорошо видно, что поле рассеяния занимает значительный объем и наблюдается как со стороны дефекта, так и с противоположной стороны.

В разделе 5.4 описаны состав, способ приготовлениям методика использования мапшточувствительной жидкости, представляющей собой эмульсию МЖ в воде. В неоднородном магнитном поле на капли МЖ действует пондеромоторная сила

моХ^НЮ, (24)

под действием которой капли перемещаются в область магнитных полюсов и образуют рельеф, отражающий особенности скрытого магнитного изображения. Показано, что по сравнению с магнитными суспензиями эмульсии МЖ обладают рядом преимуществ: 1) возможность выбора близких по плотности МЖ и несущей среды позволяет снизить влияние силы тяжести и увеличить седиментационную устойчивость; 2) отсутствие у эмульгированных капель МЖ собственных магнитных моментов уменьшает взаимодействие между каплями и повышает агре-гативную устойчивость; 3) эксплуатационные характеристики индикаторной жидкости можно изменять в широких пределах в процессе ее приготовления.

В 5.5 и 5.6 рассматриваются некоторые примеры применения МЖ для исследования магнитных фонограмм. В частности, описываются способы и методы моделирования критических зон записи, в том числе и на движущимся носителе, методика исследования распределения остаточной намагниченности, способ определения коэрцитивной силы носителя. Рассматриваются методы контроля комбинированных блоков магнитных головок с применением магниточувствительных эмульсий.

Раздел 5.7 посвящен разработке индикаторной жидкости высокого разрешения, которая необходима, например, для визуализации видео-енгналограмм, содержащих 1200-1600 потокопереходов на 1 мм. Для решения этой задачи предложена МЖ, содержащая микрокапельные агрегаты, и разработана установка для наблюдения визуализированных видеосигналограмм методом дифракции отраженного света.

В разделе 5.8 рассматривается способ маркирования клеток и исследования их жизнедеятельности путем внедрения внутрь клетки коллоидных частиц магнетита с последующим электронным мнкроскопиро-ванисм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Магнитные жидкости, являющиеся типичными коллоидными растворами, выделены в новый класс нанодисперсных материалов, уникальность которых определяется сочетанием малых размеров частиц твердой фазы (~10 нм) и наличием у частиц собственных магнитных моментов. Научные достижения в этой области стали возможны за счет комплексного подхода с применением классических методов молекулярной оптики, статистической термодинамики, физики магнитных явлений, физической химии, механики сплошных сред.

Выполненные в настоящей работе теоретические и экспериментальные исследования электро- и магнитооптических явлений позволили получить следующие научные результаты, раскрывающие физическую природу этих явлений в МЖ и устанавливающие взаимосвязь между микроскопическими и макроскопическими характеристиками магнитной нанодисперсной среды, а также высказать предложения об использовании научных результатов в технике измерений и производственных технологиях.

Разработана физическая модель возникновения под действием внешнего магнитного поля оптической анизотропии ансамбля частиц, обладающих неелевским суперпарамагнетизмом. С позиций статистической термодинамики проанализирована зависимость параметра ориентации частиц от их анизометричности, температуры среды, а также ампл!пуды и частоты переменного поля.

Сравнение результатов экспериментального исследования двойного лучепреломления и дихроизма МЖ с теоретически рассчитанными значениями позволяет утверждать о применимости одночастичной ориен-тационной модели возникновения оптической анизотропии в слабоконцентрированной МЖ.

Теоретически обоснован и экспериментально реализован метод изучения релаксации магнитооптического эффекта двойного лучепреломления в переменном магнитном поле, основанный на гармоническом

V ^

анализе интенсивности света, прошедшего анизотропную среду. Экспериментальная проверка дисперсионных соотношений, полученных на основе гармонического анализа оптического сигнала, позволила сделать вывод об адекватности предложенной физической модели ориентации суперпарамагнитных анизотропных частиц.

В переменном магнитном поле впервые обнаружена оптическая нелинейность, проявляющаяся в том, что полевые зависимости высших гармоник оптического сигнала имеют глубокий минимум при некотором амплитудном значении напряженности магнитного поля.

Разработаны методы и принципиальные схемы устройств для измерения среднего магнитного момента и степени дисперсности коллоидных частиц МЖ по магнитооптическим измерениям в постоянных и переменных магнитных полях. Показана возможность применения магнитооптического эффекта двойного лучепреломления в переменном магнитном поле для исследования физических характеристик коллоидных частиц и экспресс-диагностики МЖ, когда в качестве контролируемых параметров выбираются время броуновской вращательной диффузии и величина магнитного момента частицы, определяемые по оптическим измерениям.

Впервые рассмотрено возникновение оптической анизотропии при одновременном воздействии на магнитный коллоид электрического и магнитного полей. С позиций статистической ориентационной теории возникновения анизотропии во внешних полях показано, что при таком воздействии оптические свойства магнитного коллоида в общем случае характеризуются тремя главными значениями показателя преломления, то есть коллоид становится подобным двуосному кристаллу.

Установлена связь между собственными значениями тензора диэлектрической проницаемости среды и величиной и направлением электрического и магнитного полей. Определены условия, при которых МЖ по своим оптическим свойствам становится подобной одноосному кристаллу, полоиснтельному или отрицательному.

Проведены экспериментальные исследования оптических явлений в макроскопически изотропной МЖ методами рассеяния света, абсорбционной спектроскопии и отражательной рефрактометрии, которые позволили получить существенно новые сведения о внутренней структуре рассмотренных МЖ и показать, что термодинамическая неустойчивость, проявляющаяся в агрегировании коллоидных частиц, играет в этих явлениях определяющую роль.

Исследованы явления экстинкиии, дихроизма н анизотропного рассеяния света в МЖ, содержащей капельные агрегаты. Впервые обнаружена инверсия экстинкции света в магнитном поле и установлена связь этого явления с динамикой образования агрегатов. Обнаружен эффект образования капельных агрегатов при разбавлении устойчивых МЖ растворами поверхностно-активного вещества, а также влияние концентрации ПАВ на возникновение фазовой неустойчивости и величину критического магнитного поля, при котором возникает анизотропное светорассеяние.

Разработана методика и проведены экспериментальные исследования структуры МЖ методом двойного лучепреломления во вращающемся магнитном поле. Теоретический анализ полученных результатов на основе предложенной физической модели цепочечных агрегатов и механизма их разрушения вязкими силами позволил оценить расстояние между частицами в агрегате, толщину сольватных оболочек и энергию магнитодипольного взаимодействия частиц в цепочечном агрегате.

Разработан магнитооптический метод визуализации, изучения конфигурации и измерения магнитного поля, использующий явление двойного лучепреломления в МЖ. Показана возможность применения данного метода для выявления дефектов в ферромагнитных изделиях, а также для изучения магнитных полей, занимающих малый объем по сравнению с размерами существующих магнитных зондов, например, полей магнитных головок. Метод применим для визуализации как постоянных магнитных полей, так и переменных с частотой до 100 кГц.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скибнн Ю.Н., Чеканов В.В., Райхер ЮЛ. Двойное лучепреломление в ферромагнитной жидкости II ЖЭТФ - 1977. - Т. 72, вып. 3. - С. 949 - 955.

2. Скибнн Ю.Н., Чеканов В.В. Использование двойного лучепреломления в феррожидкости для построения спектра магнитных полей// Магнит, гидродинамика. - 1977,-№2,-С. 137- 138.

3. Скибии Ю.Н. Двойное лучепреломление магнитной жидкости в переменном магнитном поле // Семинар по прикладной магнитной гидродинамике (тез.докл.). Ч.2.- Пермь, 1978. - С. 101-103.

4. Скибин Ю.Н.. Чеканов B.B. Экспериментальное изучение релаксации намагниченности феррожидкости по двойному лучепреломлению// Движение гетерогенных сред в сильных магнитных полях.-Свердловск: УНЦ АН СССР, 1978. - С. 51 - 53.

5. Чеканов В.В., Скибин Ю.Н., Шацкнй В.П. Устройство для контроля рабочего зазора магнитной головки. Авт. свид. СССР № 593241 II Б.И. - 1978, №6.

6. Скибин Ю.Н., Чеканов В.В. Исследование строения ферромагнитной жидкости методом вращающейся кюветы I/ Магнитн. гидродинамика,- 1979. - № 1.-С. 19-21.

7. Скибин Ю.Н., Чеканов В.В. Исследование свойств магнитной жидкости по отражению поляризованного света от ее поверхности в магнитном поле// Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. -Саласшшс, 1980.-С. 77 - 84.

8. Скибин Ю.Н. Кинетика экстинкцни и дихроизма слабой магнит-нон жидкости в магнитном поле II XV Всесоюзн. конф. по физике магнитных явлений. Ч. 2. - Свердловск, 1981. - С. 85 - 86.

9. Скибин Ю.Н. Изучение агрегирования частиц в магнитных жидкостях по экстннкцин света и дихроизму // Матер. II Всесоюзн. семинара по магнитным жидкостям.- М.:МГУ, 1981. - С. 13 - 14.

10. Римкус В.И., СкибинЮ.Н., Епишкин Ю.С., Якштас A.A. Способ эпределення положения магнитных головок записи и воспроизведения з комбинированном блоке. Авт.свид. СССР № 968849// Б.И. -1982,№39.

11. Скибин Ю.Н., Епишкин Ю.С., Чеканов В.В., Якштас A.A. Устройство для контроля блоков магнитных головок. Авт. свид. СССР № )57268//Б.И. - 1982, №33.

12. Скибин Ю.Н. Влияние суперпарамагнетнзма твердых частиц на шулучепреломление магнитных жидкостей. - Деп. в ВИНИТИ, 05.02.82. № ¿32-82 Деп. - 22 с.

13. Чеканов В.В., Скибин Ю.Н., Епишкин Ю.С. и др. Магниточув-твительная жидкость для визуализации магнитной записи. Авт. свид. :ССР№ 940049// Б.И. - 1982, №24.

14. Чеканов В.В., Скибин Ю.Н., Дроздова В.И. и др. Устройство для (изуализацни магнитного лоля.Авг.сввд.СССР№949558//Б.И.982,№29.

15. Скибин Ю.Н. Ориентация суперпарамагнитных частиц в пере-<енном магнитном поле // XVI Всесоюзн. конф. по физике магнитных влений. Ч. 2,- Тула, 1983.- С. 252-253.

16. Скнбин Ю.Н. Влиянне агрегирования частиц на экстинкцию и дихроизм магнитных жидкостей // Физические свойства магнитных жидкостей. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983.- С. 66-74.

17. Сабаляускас И.Ю., Кузма Р.П., Скибин Ю.Н. и др. Способ исследования жизнедеятельности L- клеток. Авт. свнд. СССР № 1035519 // Б.И. - 1983, №30.

18. Сабаляускас И.Ю., Кузма Р.П., Скибин Ю.Н. и др. Способ исследования жизнедеятельности L-клеток. Авт. спид. СССР № 1061050 // Б.И. - 1983,№46.

19. Дроздова В.И., Скибин Ю.Н., Чуенкова И.Ю. Оптимизация состава магннточувствительных жидкостей, применяемых в контроле магнитной записи II Материалы III Всесоюзн. семинара по магнитным жидкостям,- М.: МГУ, 1983.- С. 94-95.

20. Чеканов В.В., Opea В.А., Скибин Ю.Н. и др. Дефектоскопия деталей из сендаста// Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделии (тездокл.). Ч. 2.- Омск: ОмПИ, 1983.- С. 96-97.

21. Скибин Ю.Н. Деполяризация света, рассеянного магнитной жидкостью II Коллоид, ж,- 1984,- Т. 46, № 5.- С. 955-960.

22. Скнбин Ю.Н. Модуляционные характеристики магнитооптической ячейки на магнитной жидкости // Тез. докл. 1М Всесоюзн. конф. по магнитным жидкостям. Т. 2.- Иваново, 1985.- С. 98-99.

23. Чеканов В.В., Кожевников В.М., Падалка В.В., Скибин Ю.Н. Двулучепреломление магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях// Магнит.гидродинамика.- 1985.- № 2,- С. 79-83.

24. Скибин Ю.Н. К вопросу о двойном лучепреломлении магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях II III Всесоюзн. совещ. по физике магнитных жидкостей,-Ставрополь, 1986.-С. 102-103.

25. Дроздова В.И., Скибин Ю.Н.,Шагрова Г.В. Исследование структуры разбавленных магнитных жидкостей по светорассеянию //III Все-союзн.совещ.по физике магнитн. жидкостей.- Ставрополь, 1986.-С.47-48.

26. Кожевников В.М., Падалка В.В., Райхер ЮЛ., Скнбин Ю.Н., Чеканов В.В. Оптическая анизотропия магнитной жидкости в скрещенных электрическом и магнитном полях // Изв. АН СССР. Сер. физ,-1987.-Т. 51, № 6.- С. 1042-1048.

27. Дроздова В.И., Скибин Ю.Н., Шатрова Г.В. О температурных и динамических характеристиках рассеяния света микрокапельными агрегатами// 12 Рижское совещ. rio магнитной гидродинамике (тез. докл.). Ч. 3.- Саласпилс, 1987.- С. 43-46.

28. Дроздова В.И., Скибин Ю.Н., Шагрова Г.В. Исследование структур разбавленных магнитных жидкостей по анизотропному светорассеянию// Магнит.гидродинамика.- 1987,- № 2.- С. 63-66.

29. Скибин Ю.Н„Коробова Н.Н. Рассеяние света магнитными жидкостями // IV Всесоюзн. совещ. по физике магнитных жидкостей, (тез. докл.).-Душанбе, 1988.- С. 77-78.

30. Райхер ЮЛ., Скибин Ю.Н. Динамическое двулучепреломление света в магнитной жидкости // ДАН СССР. - 1988. - Т. 302, № 5.- С. 1088-1091.

31. Дроздова В.И., Скибин Ю.Н., Шагрова Г.В., Якштас А.А. Способ определения полей рассеяния магнитных головок. Авт. свнд. СССР № 1465843 //Б.И.- 1989, № 10.

32. Дроздова В.И., Епишкнн Ю.С., Скибин Ю.Н. и др. Магниточув-ствительная жидкость для визуализации магнитной записи и способ ее получения. Авт. свид. СССР № 1475402. / Не подлежит публикации.

33. Дроздова В.И..Скибин Ю.Н., Шагрова Г.В.и др. Магниточувст-вительная жидкость для визуализации магнитной записи. Авт. свид. СССРЪ 1593484. / Не подлежит публикации.

34. Дроздова В.И., Коробова Н.Н., Скибин Ю.Н. и др.Способ определения коэрцитивной силы магнитного носителя. Авт. свид. СССР № 1483485 //Б.И. - 1989, №20.

35. Checkanov V.V., Butenko А.А., K.ozhevnikov V.M., Skibin Yu.N., Padalka V.V. Elektro-Magneto-Optics of Ferrofluids // Fifth Int. Conf. on Magnetic Fluids.- Salaspils, 1989,- P. 91-92.

36. Raíkher Yu.L., Stepanov V.I., Burilo\ S.V., Skibin Yu.N. Ac Field induced Modulación ofthe Light in a Magnetic Fluid //Joint INTERMAG-89 (Abstract).- Washington, 1989,- GQ-07.

37. Голованов В.Ю., Скибин Ю.Н. Применение теории Ми к рассеянию света магнитными жидкостями// V Всесоюзн. совещ. по физике магнитных жидкостей (тез. докл.).-11ермь, 1990.- С. 47-49.

38. Падалка В.В., Скибин Ю.Н. Динамика оптической анизотропии магнитной жидкости в переменном электрическом поле // Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. по магиитн. жидкостям.Т.2,- М.: МГУ, 1991. - С. 84-85.

39. Скибин Ю.Н.Малшгооптический способ определения магнитного момента частиц магнитной жидкости// Приборы и методы измерения физических параметров ферроколлоидов. - Свердловск: УО АН СССР, 1991.-С. 85-89.

40. Скибин Ю.Н. Исследование магнитной жидкости методом инфракрасной спектроскопии // Вестник Ставроп. гос. пед. ун-та.- Выпуск 2, 1995,-С. 13-15.

41. Скибин Ю.Н. Отражение света от свободной поверхности магнитной жидкости II Проблемы естественных наук. - Ставрополь, 1996. -С. 101-102.

Цхшл__^

.¡одпясано к печати Ц.Ш г. Формат ^ х 84 /СЛ.-П8Ч.Л. 'Г !,) и.- мз. .1 ' "* Ш

л-^.иопольокай гос-.;арст:'0.; • »рслтог,