Введение к работе
Актуальность проблемы. К настоящему времени имеется достаточно большое число экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению магнитостатической и электрокапиллярной неустойчивости свободной поверхности, а также слоев и капель магнитных коллоидных наносистем (магнитных жидкостей), однако, многие проблемы остаются открытыми. К ним, в частности, можно отнести особенности поведения тонких (толщиной менее 50 мкм) слоев магнитных жидкостей при их взаимодействии с магнитным и электрическим полями, а также особенности электрических свойств тонких слоев композиционных сред, созданных на их основе. Наиболее важным аспектом исследований при этом являются процессы неустойчивости и распада тонких слоев магнитных жидкостей, их трансформация в различные упорядоченные структуры и явление электродиспергирования. Исследования подобного рода явлений имеют большое практическое значение в целях совершенствования технологий и устройств, в которых существенную роль играет структура и геометрия поверхности магнитной жидкости в магнитном поле. Кроме того, в существующих работах недостаточно полно развиты теоретические модели данных явлений, что свидетельствует об актуальности дальнейших исследований в этой области.
Непосредственный интерес представляют также созданные на основе магнитных жидкостей магнитные композиционные среды, которые могут проявлять более заметную зависимость своих свойств от воздействия магнитного и электрического полей, чем сама магнитная жидкость. Влиянию процессов структурообразования во внешнем поле на макроскопические свойства тонких слоев композиционных сред также уделено недостаточно внимания в существующих в настоящее время работах.
В связи с этим, исследование поведения тонких слоев магнитных коллоидных наносистем, а также созданных на их основе композиционных сред при взаимодействии с магнитным и электрическим полями, в настоящее время является актуальным и, безусловно, представляет общенаучный и прикладной интерес.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование магнитостатических и электрокапиллярных неустойчивостей тонких (толщиной от 5 до 50 мкм) слоев магнитных коллоидных наносистем, и обусловленных ими процессов трансформации слоев в упорядоченные структуры при взаимодействии с магнитным и электрическим полями, а также электрических свойств и микроструктуры тонких слоев композиционных сред, созданных на основе магнитных коллоидных наносистем.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- исследовать неустойчивость и распад тонкого слоя магнитной коллоидной наносистемы во внешнем однородном постоянном магнитном поле, направленном перпендикулярно слою;
изучить неустойчивость и распад тонкого слоя магнитной коллоидной наносистемы во внешнем однородном стационарном магнитном поле, составляющем произвольный угол с поверхностью слоя;
установить закономерности возникновения и развития электрокапиллярной неустойчивости гексагональной системы пиков (конусообразных микрокапель) образующейся из тонкого слоя магнитной жидкости при одновременном воздействии магнитного и электрического полей;
исследовать закономерности электрических свойств тонких слоев магнитных коллоидных наносистем, содержащих дисперсию микрочастиц графита, обусловленные процессами структурообразования в данной среде при воздействии магнитных полей.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Экспериментально установлено, что развитие неустойчивости тонкого (толщиной < 50 мкм) слоя магнитной жидкости во внешнем однородном перпендикулярном магнитном поле приводит к распаду слоя и образованию гексагональной структуры, состоящей из пиков (конусообразных микрокапель) магнитной жидкости на твердой подложке. Обнаружено возникновение в сильных полях вторичной гексагональной структуры. Впервые установлена зависимость характера развития магнитостатической неустойчивости слоя магнитной жидкости от магнитных свойств подложки.
При исследовании воздействия на тонкий слой магнитной жидкости внешнего наклонного (составляющего произвольный угол с поверхностью слоя) магнитного поля было обнаружено развитие двух типов неустойчивости, приводящих к распаду слоя и образованию соответствующей структуры в виде параллельных жидких гребней (валов), либо в виде конусообразных выступов (пиков), наклоненных к поверхности слоя и стремящихся выстроиться в гексагональную структуру. Установлены условия реализации этих неустойчивостей, а также зависимость их характера от толщины слоя, напряженности магнитного поля и угла между направлением поля и нормалью к плоскости слоя. Развита теоретическая модель поверхностной магнитостатической неустойчивости слоя магнитной жидкости в наклонном магнитном поле, проведено сопоставление экспериментальных и теоретических результатов, показавшее их качественное согласие.
Предложен способ создания гексагональных и полосовых дифракционных решеток на основе магнитных коллоидных наносистем, которые могут использоваться для управления световыми потоками, а также для демонстрации явления дифракции света на упорядоченных структурах в образовательных целях.
Обнаружено развитие электрокапиллярной неустойчивости гексагональной системы пиков (конусообразных микрокапель), образующейся из тонкого слоя магнитной жидкости, при одновременном воздействии магнитного и электрического полей. Установлены критерии развития такой неустойчивости, выявлен гистерезисный характер ее возникновения.
Установлено, что электрическая проводимость и электрическая емкость тонкого слоя образца магнитной жидкости, содержащей дисперсию микрочастиц графита, в ряде случаев изменяются более чем на порядок под действием магнитного поля, что связано с процессами микроструктурирования в данной композиционной магнитной среде.
Обоснованность и достоверность основных научных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Адекватность разработанных моделей подтверждается качественным согласием теоретических и экспериментальных результатов, а также тем, что при переходе к предельным случаям полученные на основе предложенных моделей результаты переходят в соответствующие результаты ранее разработанных теоретических моделей, описывающих такие случаи.
Теоретическая ценность работы заключается в усовершенствовании теории магнитостатической неустойчивости поверхности намагничивающейся жидкости, кроме того, полученные результаты могут быть обобщены на случай капиллярных неустойчивостей в произвольных жидких средах, а также для решения ряда задач магнитогидродинамической теории плазмы, в теоретической астрофизике и физике атмосферы.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследования магнитостатической и электрокапиллярной неустойчивостей тонких слоев магнитных коллоидных наносистем могут быть использованы в технике создания дифракционных решеток, которые могут найти применение в оптических приборах для управления световыми потоками, а также в образовательном процессе для демонстрации и изучения явлений дифракции света на упорядоченных структурах. Результаты исследования электрических свойств тонких слоев композиционных сред, созданных на основе магнитных коллоидных наносистем, могут быть использованы при разработке новых материалов, свойствами которых можно управлять путем воздействия внешними электрическим и магнитным полями.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и форумах: V (XXXVII), VI (XXXVIII) Международные научно-практические конференции «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» (Кемерово 2010, 2011); 14-я Международная Плес-ская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям (Плес 2010); XII Международная конференция «Физика диэлектриков (Диэлектрики 2011)» (Санкт-Петербург 2011); II, III Всероссийские научные конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь 2009, 2011); Международные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2009», «Ломоносов - 2010», «Ломоносов - 2012» (Москва 2009, 2010, 2012); 15-ая Всероссийская научная конференция сту-
дентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15) (Кемерово-Томск 2009); 18-ая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18) (Красноярск 2012);. 54-57-ая научно-методические конференции «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2009-2012). На защиту выносятся:
результаты экспериментальных и теоретических исследований явления неустойчивости и распада тонкого слоя магнитной коллоидной нано-системы, нанесенного на немагнитную и намагничивающуюся подложки, в однородном перпендикулярном магнитном поле;
установленные экспериментально и теоретически обоснованные закономерности развития двух видов неустойчивости тонкого слоя магнитной коллоидной наносистемы в однородном наклонном магнитном поле, приводящих к образованию полосовой и гексагональной структур в плоскости слоя, а также результаты экспериментальных исследований условий перехода полосовой структуры тонкого слоя в гексагональную;
способ создания дифракционных решеток на основе тонких слоев магнитных жидкостей;
критерии возникновения и развития электрокапиллярной неустойчивости гексагональной системы пиков (конусообразных микрокапель) при одновременном воздействии магнитного и электрического полей, а именно, результаты исследований явления пульсации формы пиков и зависимости частоты пульсации от величин внешних магнитного и электрического полей, а также от диаметра основания пика;
результаты исследования электрических свойств тонких слоев магнитных коллоидных наносистем с графитовым наполнителем, согласно которым, величины электроемкости и проводимости тонкого слоя таких сред при воздействии сильных магнитных полей могут изменяться более чем на порядок.
По теме диссертации опубликовано работ: 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 29 работ в сборниках и трудах конференций.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 117 наименований. Материал диссертации содержит 147 страниц, 61 рисунок.
