Исследование взаимодействия электромагнитного излучения с магнитной жидкостью Ермолаев, Сергей Анатольевич

Введение к работе

з
'

Актуальность лррблэмы.

К одному из фундаментальных направлений сспременной радиофизики можно отнести изучение ззамглодейстзия электромагнитного излучения с различными типами вецестз. 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 срад и физики магнитных явлений. Результаты исследований а этом направленим могут во многом определить уровень технических достижений поя создании различных типов устройств, в тсгл числе применительно к зздачзгл радиофизики.' Использование' магнитных жнд'ягстей а пргц;та*снноу тежагез привело к необходимости исследсозния их сесйатз ;i пар'ї-"зтрз2. ЗзгкводайстЕма электромагнитного излучения с мггикткей едкостью приобретает болаэ -сложный характер при помещении еа со внешнзз мгтк-итноз пола, так как а этом случае на характер ззаимодгйстгяя существенное елиянкэ будет сказывать внутренняя структура їаеґнмтнсй газдмсг.і, наведенная магнитным иолам.

Для созрамэннсй науки характерен существенный интесес 'я ' исследсазнгао сгдакнего поведения систем, имекхцих з споем составе ферромагнитные частицы. Расширенна области использования магнитных жидкостей в СВЧ устройствах, а таска зоз5яа;хность определения их сзойстз и параметров' радаоволновыии методами, обуславливает актуальность изучения закономерностей азаи.модейстзия злехтрсмзгнатныя колебаний с магнитной жидкостью для радилфизикм. Проведение таких 'исследований позволяет. совершенствовать и качественно изменять структуру магнитных жидкостей, расширять области их применения, создавать новые устройства на основе наблюдаемых зффй.ттов взаимодействия электромагнитного излучения с магнитной жидкостью.

.4-.- '

Следует отриєтить, что при исследовании магнитной жидкости большой интерес может - представлять описание процессе взаимодействия электромагнитного излучения с кагнктной жидкостью, помещенной в постоянное магнитное поле, так как магнитное поле сказывает сильное влияние на ее структуру и свойства. Подобного .рода, исследования могут обеспечить возможность создй.нйя систем с управляемыми параметрами.

Целью 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.

Научная новизна исследований, проведенных в коде

диссертационной'работы, отстоит в следующем:

О . впервые теоретически описан и обнаружен экспериментально

резонансный характер отражения СВЧ излучения от магнитной жидкости

в волноводе при измэнениио величины магнитного поля и показана

возможность определения по измерением щирине резонансной кривой

размеров ферромагнитных чзстиц;

впервые Експериментально обнаругезно, что изменение ориентации приложенного к магнитной жидкости постоянного магнитного- поля относительно направления электрического вектора СВЧ-волньї с параллельной на ортогональную приводит к появлению 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 ыягнитнрй жвдкости, что приводит к отличию в них характера фазовых процессов;

впервые показано, что при воздействии на магнитную жидкость Механических колебаний изменяется ее коэффициентотражения, причем указанная закономерность справедлива для характерных участков

насыщения а зависимости коэффициента отрз;:-:гния СБЧ золны от исгнитного поля и свидетельствует о тем, что при еюзбукденкм «ехпнпчяских колебаний прежняя структура магнитной 'кидкости не восетоназлизазтея'ни при «акілх значениях магнитного поля.

Дзстапаоность тюпучмн-ы:; р^упътзто.ч. Достоверность полученных теоретических , результатов обеспечивается достаточной строгостью используемых математических моделей,- корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных' процессов к искомым 'решениям, соотаетстБие.м разультатез расчета -эксперименту. Достоаерность экспериментальных результатов обеспечена приманенном стандарті <ой измерительной опп^рзтуры, обработкой оксг.ериментальных данных с помощью современных методов с использованием -ЭВМ. .

- пекззгнз возможность испольгездкия эффекта анизотропного,
отражения CcM излучения от ипгнитной эхудкссти при изменении величины
л направления вкоижего магнитного поля, для управления параметрами
излучения;

- проведена сценка влияния механически» колебаний ка структуру
«дггнйтнем жидкости, НЕоедзинуга' внешним могнитйым полгм.

Дпг.е5?ц«эд. работы. 'Основные положения и достигнутые з. ждэ зыпалнзния диссортпционной рпбзты результаты докладывалась и эбсузхцались на Международной Рижской конференции. по «лагнитной идродикзиико- MAHYD-95 з 1SG5 гаду а Риге; на IV- Российской научно-технической конференции "Оптические, ргдиоволновыо, тепловые мотоды и средства неразрушзющегс- контроля" з 1995 году з Сзратозе, а также кз ;'емкнзрах кафедр физики твердого тала и электроники и волновых процессов Саратовского госунизерсмтвтЕ.

' 6 . .

Публикации. По материалам исследоеакий, выполненных при работе

над диссертацией, опубликовано А статьи в центральных научно-технических 'журналах,-2 тезисов докладов на научно-технических, конференциях. На техническое решение, полученное о ходе проведений исследований получено решение с Еыдаче патента нз изобретение.

Пичяыб вклад дагерд. Личное - участие авторе в этой работе выразилось в самостоятельно?.' выводе расчетных соотношений, позволяющих списать экспериментальные' результаты, выборе МЕЮматичесхой моделі", проьед&нии. всего объема расчетных и экспериментальных -работ, участе/ в формулировании научных выводов '

Структура к о5ъг:м дис.сьр~цнк. Диссертация состоит v.z Введения, гшти разделое, имеющих подразделы. Заключения и списка литературы. Общий oSbcv. диссертации, состзаляет 107 страниц машинописного тексте, в тс:* числе осноеяой текст занимает 99 страниц.' еключая 2Ь рисунков. Список литературы содержит 74 наименования и изложен на 8 страницах.

Оснагниа r.ons;-3n»r_t вьуоскмыа на защиту: *

1. Зависимость от магнитного поля коэффициента отражения СВЧ
волны із еелнззоде, содержащем, полубескокечный слой магнитной ямдкастн
с ферромагхитними частицами кансиетроаых размеров, имеет резонансный
характер, причем по измеренной ширине резонансной кривой возможно
определять размеры ферромагнитных частиц.

2. Изменение ориентации приложенного к магнитной якд кости
постоянного магнитного поля относительно направления электрического
вектора СВЧ-солны с параллельной на ортогональную приводит к пойзлэнкхз
сильной анпзотрагпш се йззффлционта отражения в СВЧ диапазоне.'

Ъ. При сдатентацда мапштнэго поля, прилоясениого параппельно
плоскому слок> глагкігшой ~-аід;состк, знзчєкие полк, при котором начинается
проаесс сбеааеаггшя ггвоморатоз ферро«.агн;-ттныХ частиц в слое, меньше,
чем в объеме Магниткой яе-даости, что приводит к отпичиіо ' в них кзргхтера'
фазовых процессов. — .- _''._''

СОДЕРГ-ХАКИЕ РАБОТЫ

4. Возбуждения а магнитной жидкости механических колебаний
приводит к уменьшению коэффициента отражения CSM излучения при тех ткг
значениях магнитного поля, ' что и а случая отсутствия колебаний для
параллельной сриектзции зехгерса малнятнего и СБЧ элеетричесхого поля. и
его увеличению для сртсгснапьнсй ориентации этих зектоося. Указанная
за:<онс?лгр'г)ость сг.рггедг.ива для характерных участков насыщения з
здетсдеостм коэфф^ц^энта' стрзжнчя.от магнитного поля и епщетельешует
о тем, что при зогб'/г-хдзнии механических колебаний пре;-хняя структура
магнитной жидкости но зосетгнзгллівготея ни три каких значениях магнитного
поля. " . '

что для исспядооанмя анизотропии объема магнитной жидкости, наведенной кагнптным полем, могут найти широкое . применение СВЧ методы. Проанализировано влияние температуры и колебательных воздействий нз структура мпгкитиой жидкости, помещенной в магнитное пале. Проведен критический анапкэ методов исследования магнитных жидкостей на СВЧ.

Вс ртерпм рагдйве прздстазлекы результаты исследования отважена СВЧ излучения- от магнитной жидкости, с условиях' ферромагнитного резонанса в восьь*>и?»іиллиметразоК5 диапазоне. Теоретически w вксперяыенталы-ю показан резонансный характер отражения СВЧ излучения от магнитной яащкости, подверженной воздействию внешнего магнитного поли.

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

0.325

0.250

3 1,0 1.2 Нп

Ркс.1. Базксйглость коэффициента отражения СВЧ излучения (R) от сглачикы приведенного магнитного полк (Н_п) дли различных размеров ферромагнитных чгстац на частоте 27 ГГц: 1-10 нм,'2 - 7

ИМ!, З - Б С.Г.Ї.

Прозэдекный гкалкз зокксякботи ширины криЕОй ферромагнитного рггснанса R(K_n) от параметров магнитной жидкости показал. еозусмюстъ ксрректного'рвечета разгара ферромггкмтных чпгткапо гамерениой ширино ютзой R{H„). Взаимосвязь pa-мера ферромагнитных частиц магнитной жидкости сі с.-шириной ^:криЕО!Ї зс:г.і*,симосг'И коэффициента отражения от велкчцны магнитного - поля, которая определяется ' поведением действительной части д^кеыс-чэс'сой мггкитней восприимчивости

_ _ТМ (1 ₊ VfH_n⁴+(n²-1)H^
^Xm ^(1+^)^+2(^-1)^+1^ ^V'

опксывязтея следующим соотношением:

_р_ 4АН_ьу_р(Н?_р+Н|,) ⁽²⁾

^V(v_bAH_p-AH_bv_p)Hf.,'

где Н_п - прі:подєйкоо г.-пгииткоз полз H_n =—'; у - ГТф0«ЗП<іТГН0Є отношения,

О) . ' -

ю=27П', v - частота СВЧ мзлучэнга, М - намагниченность изгнитной гмздкости, M_d - кЕмагниченность насыщения твердого етгнатекз, tj - фактор затухания электромагнитной волны в иегнмтной жидкости, к - постоянная Больцмгна, Т -температура, Н_1р и Н_2р - значения приведенного, магнитного полл, ссотпстстзусщке пгетреизлнным гннчгкия . коэффициента отрях-онмя ка чгстота v_P, АН₀, АН_Ь -значения'ширины score ой феррсглггнїлтксго резонанса нз . частотах v_P и v_b. Здесь v_p nv_b - частоты, на которых'значение ДН -существенно зСвисйт от чпетоты CS4 излучения v (ДН_Р) и язллзтея постоянным с ее «зменєчивм (ДН_Ь), соответственно.

Установлено, что, -измгнпя частоту СВЧ 'излучения, мохско существенным о5рззом~ргсширить-диапазон измеряемых значений размеров частиц кзгнитной жидкости (рис.2).

З 5 10 15 20 d, нм Pv.c.2. Зависимость щыряни резонансной -кряасй от размерен частиц магнитной жидкости для различной частоты CS4 излучения: 1 - 27 ГГц, 2 - 16 - ПГц, 3 - 8 ГГц.

а гдйтьдм- ряздггпл лриаедЕны результаты исследования алмямия внешнего магнитного поля на Диэлектрические сзоиства магнитной жидкости.

Изшкапка электрической Бссприимчущостм ыггкитнсй /ждкссти при пср-аплопьнсй и перпендикулярной ормзнтациж векторез магнитного и злеятричгсхега палей имеет различный ;шра;<тзр и зависит ст размера я формы чаеггкц:-

!

ZaJt

(1-<з)<Х_с +(SEC[

MVA1 Az/

1 Г Г 1 2 Г 1 1 Y;, Л „ ' , 1

— Фгсі — - — Цаі) +<1-фМа_с |

;с_с I L'Ai aivAt А27 j _; j

,, ^ Ь 2/1 lYj

(3)

+ <1--?>N«_C

_К^⁺_|;й"^^а,:

гдз со - дазлсісгркчг'ская прсгтмцЕз.Уость вжуума,

tr ґ, „ , 1+е\
^:——- 1-22 + Lrr- ),Є = .

A2 =

1-A1

_'-

(4)

Предстазлвны расчетная и экспериментальная зависимости
казот*циантз отражения СБЧ излучения от Б2л«чйны магнітного поля
(рис.З), п.' уче-мные с-использованием соотношений (3), (4), показывающие
анизотропный характер отражения СЗЧ волны от Магниткой жидкости для
рг: - ч^ччых Езгммоортентацкй постоянного мггнктного и СБЧ глектркчгскога
лолей. -

к 0.50!

0.30

0.401-

0 100 200 300 400 Н,Э в)