Введение к работе
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 им. Благодаря столь малым размерам частицы находятся в интенсивном броуновском движении, препятствующим fix оседанию'іі обеспечивающим высокую макроскопическую однородность системы, а для предотвращения 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 и поверхностными явлениями на границе твердое тело - жидкость.
Существенный вклад в решение этой задачи вносит изучение магнитооптических и электрооптических 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 частий 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 11-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.
-
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 слабоконпентрированными МЖ определяется в основном агрегатами коллоидных частиц, размеры которых остаются значительно меньше длины волны видимого света.
-
На основе развития теории деполяризации рассеянного МЖ света, которая учитывает анизотропию коллоидных частиц, взаимную корреляцию флуктуации плотности и образование ассоциатов под действием магнитодипольных сил, показано, что измеренное значение коэффициента деполяризации света соответствует предложенной физической модели ассоциатов.
-
Сопоставление ИК-спектров раствора олеиновой кислоты в керосине и МЖ позволило выдвинуть и обосновать положение о двух механизмах хемосорбцин молекул олеиновой кислоты на поверхности магнетита: с образованием сильной связи, при которой происходит диссоциация молекул кислоты, а взаимодействие со свободными электронами и дырками noctrr коллекшвный 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, пара
метрами коллоидных частиц, их концентрацией, интенсивностью внеш
него поля и температурой. Экспериментальные исследования двойного
лучепреломления МЖ в электрическом и магнитном полях позволили
установить адекватность ориентационной модели и разработать мето
дику определения среднего магнитного момента коллоидных частиц
МЖ по магнитооптическим измерениям.
5. Теоретические и экспериментальные результаты исследования оп
тической анизотропии, возникающей при одновременном воздействии
на МЖ электрического и магнитного полей, впервые показали воз
можность индуцирования в МЖ двуосной анизотропии и компенсации
эффектов Котгона-Мутона и Керра, при которой МЖ становится по
добной одноосному отрицательному кристаллу.
-
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.
-
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 и энергию магнитодипольного взаимодействия частиц.
-
Результаты эксперимешального 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 анизометрнчных частиц.
-
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 її тео
ретически метод исслсдобания магнитных полей сложной конфигура
ции с помощью магнитооптической ячейки, содержащей МЖ.
Научная и практическая значимость работы.
-
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.
-
Научно обоснованы электро- и магнитооптические методы определения средних значений магнитного момента и размера коллоидных
частиц, регистрации и исследования топографии магнитных полей сложной конфигурации.
-
Разработаны способы экспресс-анализа дисперсного состава и фазовой неустойчивости МЖ, основанные на исследовании релаксации оптической анизотропии и кинетики анизотропного светорассеяния.
-
Результаты исследования условий возникновения в МЖ концентрированной фазы - капельных агрегатов использованы при разработке новых типов индикаторной магниточувствительной жидкости (А.С. [ІЗ, 32, 33)) для дефектоскопии и визуализации скрытых магнитных изображений.
5. Эксперименты по внедрению коллоидных частиц магнетита
внутрь клеток, основанные на пондеромоторном действии неоднород
ного магнитного поля и диффузии малых частиц в силовом поле, по
зволили предложить способ исследования жизнедеятельности клеток
(А.С. [17, 18)), который может бьпъ использован для маркирования
клеток и непосредственного воздействия на клеточные структуры био
логически активными веществами.
6. Предложенные нами решения ряда научных и технических задач,
основанные на использовании уникальных свойств МЖ (А.С. [5, 10, 11,
14, 31, 34]), внедрены в производственную практику Вильнюсского кон
структорского бюро магнитной записи, п/о "Вильма" (г. Вильнюс), п/о
"Маяк" (г. Киев). Среди них устройство для контроля магнитных фоно
грамм, метод моделирования критических зон записи, способы опреде
ления: полей рассеяния магнитных головок, коэрцитивной силы носи
теля, положения магнитных головок в комбинированных блоках.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Методика и результаты экспериментального исследования двойного лучепреломления МЖ в магнитном поле, анализ полученных зависимостей разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучен от концентрации коллоидных частиц, интенсивности внешнего поля и температуры, позволивший установить адекватность ориентационной модели возникновения анизотропии.
-
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.
-
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.
-
Методики, принципиальные схемы устройств и результаты измерения среднего магнитного момента и степени дисперсности частиц МЖ по магнитооптическим измерениям в постоянном и переменном магнитных полях.
-
Эффект индуцирования двуосной оптической анизотропии в МЖ при одновременном воздействии на нее электрического и магнитного полей, а также механизм компенсации эффектов Котгона-Мутона и Керра, при которой МЖ подобна одноосному отрицательному кристаллу.
-
Магнитооптический метод визуализации, измерения и изучения конфигурации магнитного поля.
-
Положение о двух механизмах хемосорбции молекул олеиновой кислоты на поверхности магнетита и преобладании сильной связи, сопровождающейся их диссоциацией.
-
Экспериментальное обоснование определяющей роли термодинамической неустойчивости МЖ в явлениях рассеяния света, инверсии экстшйсции и анизотропном светорассеянии в магнитном поле.
-
Результаты экспериментального исследования и теоретическое обоснование деполяризации света, рассеянного МЖ, с учетом флуктуации концентрации, флуктуации ориентации частиц и анизотропии тензора поляризуемости ассоцнатов в дипольной системе.
-
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 солызагных оболочек и энергии магнито-дипольного взаимодействия частиц в агрегате.
11. Способы приготовления нндикагорных 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.