Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что магнитные свойства разбавленных ферроколлоидов (магнитных жидкостей) удовлетворительно описываются в рамках одночастичной модели, трактующей феррокол-лоид как газ невзаимодействующих между собой макроскопических магнитных диполей. Эта концепция позволила дать качественно вер» кую интерпретацию кривым ^намагничивания ферроколлоидов, магнитооптическим эффектам, реологическим свойствам и капиллярным явле«» ниям на свободной поверхности. Однако с ростом концентрации магнитной фазы в ферроколлоидах их поведение все более и более отличается от поведения газа суперпаракагнитных частиц. В начале восьмидесятых годов появились экспериментальные работы, результаты которых принципиально отличались от предсказаний одночастичной модели. Были обнаружены нелинейная зависимость восприимчивости от концентрации, ее немонотонное (с максимумом) изменение с температурой и логарифмически медленное убывание с частотой зондирующего поля, расслоение магнитной жидкости на слабо-и сильноконцентрпрованную фазы и пр. Для объяснения этих экспериментов были выдвинуты гипотезы о фазовых переходах ферроколлоидов в магнитоупорядоченяое состояние или в состояние дипольного стекла. Однако эти гипотезы не смогли объяснить (а тем более описать количественно)всю совокупность явлений, связанных с поведением концентрированных ферроколлоидов. Поэтому изучение свойств концентрированных ферроколлоидов представляет собой сложную и актуальную проблему.
В прикладном плане актуальность темы связана с недостатком экспериментальных данных по концентрированным ферроколлоидам,
отсутствием надежных методов расчета их свойств и постоянно расширяющимся применением магнитных жидкостей в технике, технологии и медицине.
Цель таботы заключалась в постановке и анализе новых экспериментов, позволяющих определить роль межчастичных взаимодействий, выяснении природы наиболее интересных эффектов, наблюдающихся в магнитных жидкостях, отборе и модернизации теоретических моделей, способных адекватно описать свойства реальных ферроколлоидов.
раучная новизна результатов. В работе впервые получены следующие результаты:
-
Определены границы применимости известных теоретических моделей, описывающих статическую намагниченность фэрроколлоп-дов (одночастичное приближение, модели Вейсса и Онзагера эффективного поля, среднесферическое приближение).
-
Сделан вывод об отсутствии в магнитных жидкостях фазовых переходов в магнитоупорядочепное состояние или состояние дипольного стекла.
-
Объяснен механизм образования температурного максимума начальной восприимчивости.
-
Обнаружен и объяснен аномально широкий спектр времен релаксации намагниченности.
-
Проведены расчеты динамической восприимчивости в широком
диапазоне частот (10-10 Гц).
-
Экспериментально обнаружены две независимые причины ротационного эффекта: неизотермичность жидкости, связанная с диссипацией энергии вращающегося поля и наличие свободной границы.
-
Разработана методика одновременного измерения коэффициентов/ диффузии и Соре жидких растворов.
~ 5 -
-
Измерены коэффициенты диффузии коллоидных частиц в магнитных жидкостях и проведен дисперсный анализ в рамках двух-фракционной модели. Показано, что большинство частиц объединено в агрегаты.
-
Экспериментально изучено влияние концентрации и дисперсного состава частиц на расслоение магнитных жидкостей. Показано, что концентрация магнитной фазы слабо влияет на агрегативную устойчивость магнитной жидкости. Решающее значение имеет присутствие в жидкости крупных частиц.
10. Получен фэрроколлоид с рекордно высокой магнитной восприим-о чивостью ( 10 ) и исследованы его свойства.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты позволяют:
производить расчет статической восприимчивости ферроколлоидов при произвольной температуре и концентрации магнитной фазы;
производить расчет дисперсионных кривых для мнимой и вещественной частей восприимчивости при известном распределении частиц по размерам;
повысить точность магнитогранулометрического анализа;
указывают путь к получению агрегативно устойчивых ферроколлоидов, а также жидкостей с высокой начальной восприимчивостью.
Самостоятельный интерес представляют разработанный в диссертации вариант моста взаимной индуктивности и методика одновременного измерения коэффициентов диффузии и Соре жидких растворов. Последняя может быть использована для анализа обычных жидкостей.
На защиту выносятся:
- Методика и результаты экспериментального исследования темпе-
ратурной, концентрационной и полевой зависимостей намагниченности ферроколлоидов, результаты анализа теоретических моделей, учитывающих межчастичные магнитодипольные взаимодействия.
Методика и результаты исследования частотной зависимости магнитной восприимчивости. Вывод о том, что аномально широкий спектр времен релаксации намагниченности связан с преобладанием в ферроколлоидах неелевских частиц.
Вывод о том, что температурный максимум магнитной восприимчивости обусловлен активационной зависимостью вязкости жидкости от температуры и присутствием в ней броуновских частиц (агрегатов ).
Результаты экспериментального и теоретического исследования ротационного эффекта. Вывод о наличии двух независимых причин ротационного эффекта: неизотермичности жидкости, связанной с диссипацией энергии вращающегося поля и наличии свободной поверхности жидкости.
Методику и результаты измерения коэффициентов диффузии коллоидных частиц. Вывод о том, что большинство частиц объединено в квазисферические неплотно упакованные агрегаты, состоящие из нескольких десятков частиц.
Результаты измерения магнитных свойств капельных агрегатов. Вывод о том, что агрегативная устойчивость жидкости определяется очень малым (порядка одного процента) содержанием крупных частиц.
Вывод об отсутствии в ферроколлоидах фазозых переходов в лаг*-нитоупорядоченное состояние или состоянге дипольного стекла.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах Jl-21] и докладывались на следующих совещаниях и конференциях:
'- на II,12,13-м Рижских соведаниях по магнитной гидродинамике (Рига - 1984,1987,1990).
на 4,5,6-й Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Длес - 1985,1988,1991).
на 2,3,4,5-м Всесоюзных совещаниях по физике магнитных жидкостей (Харьков - 1983, Ставрополь - 1986, Душанбе - 1988, Пермь - 1990).
на 17,18-й Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Донецк - 1985, Калинин - 1988).
« на 4 и 5-Я Международных конференциях го магнитным жидкостям (Токио - 1986, рига - 1989). Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав (первая глапа - обзор литературы, главы 3-6 - результаты исследований автора), заключения с основными выводами и списка литературы. Работа содержит 50 рисунков, II таблиц и 211 ссылок на литературные источники. Общий объем диссертации 258 страниц.