ДОСЛІДЖЕННЯ МАГНІТНОЇ РІДИНИ МЕТОДОМ РОЗСІЯННЯ СВІТЛА
Вперше в Ставропольському державному університеті оптичні властивості магнітних рідин (МЖ) методом розсіювання світла запропонував вивчати проф. Ю.Н. Скибин [1]. Їм були проведені спектральні вимірювання інтенсивності світла, розсіяного під кутом 90 ° до напрямку поширення, і зроблений висновок про те, що в межах помилки експерименту слабоконцентрірованние розчини магнетиту в гасі розсіюють
світло так, як це випливає з теорії Релея, тобто інтенсивність світла у видимому діапазоні зростає пропорційно
. Це свідчить про досить малих розмірах розсіюючих частинок в порівнянні з довжиною хвилі розсіюється світла. У той же час ним був зроблений оцінний висновок про те, що збільшення інтенсивності світлорозсіювання по відношенню до теоретично розрахованим
відповідно до теорії Мі, викликане агрегатами, що складаються приблизно з 14 частинок. Теоретичний розрахунок електро-магнітооптичних ефектів (подвійне променезаломлення, дихроїзм та ін) використовує модель окремих однодоменних часток, що ускладнює інтерпретацію експериментальних результатів, отриманих останнім часом [2,3]. Для систематичного вивчення фізичних властивостей мж необхідна розробка електро-магнітооптичних методів дослідження магнітних колоїдних систем. Розробка цих методів пов'язана з вирішенням цілого ряду проблем, що мають як чисто теоретичний, так і прикладний
характер. Для дослідження структури і властивостей різних колоїдних систем застосовуються оптичні методи, засновані на ефектах розсіювання світла, подвійного променезаломлення і дихроїзму. Вивчення колоїдних систем з розсіювання ними світла при дії зовнішнього електричного поля дає можливість визначити
електричні характеристики частинок дисперсної фази, що у разі магнітних колоїдних систем має
принципове значення в питаннях агрегативної стійкості мж. Істотну практичну важливість має також визначення
функції розподілу часток мж за розмірами,
знання якої є визначальним у технологічних
процесах виготовлення мж.
Нами проведено дослідження розсіювання світла в магнітних колоїдах фериту
кобальту і магнетиту в гасі з об'ємною концентрацією твердої фази 10
-4 при впливі змінний і імпульсних електричного і магнітного полів.
Джерелом світла був He-Ne
лазер з довжиною хвилі
випромінювання l = 632,8 нм.
Світло проходив через циліндричну кювету зі зразком, яка була поміщена всередину котушок Гельмгольца, що створюють
магнітне поле напруженістю до 8 кА / м.
Електричне поле напруженістю до 3 МВ / м створювалося за допомогою двох плоскопараллельних алюмінієвих електродів, поміщених всередину кювети з зразком. Відстань між електродами 2 мм. Реєстрація розсіяного світла проводилася за допомогою фотоелектронного помножувача ФЕУ-27 при різних кутах спостереження Q.
Сигнал з ФЕУ подавався на вхід осцилографа. Площина поляризації падаючого світла була встановлена перпендикулярно площині спостереження. Технічна частина установки для створення імпульсних електричного і магнітного полів описана нами в [2].
Дослідження індикатриси розсіювання світла без впливу поля показало, що вона має несиметричний характер з переважанням розсіювання в бік малих кутів розсіювання. Це говорить про нерелеевском характер розсіювання в наших зразках.
Зміна світлорозсіювання при дії зовнішнього поля визначалося за величиною
, Де
I - інтенсивність розсіяного світла при впливі поля,
I 0 - інтенсивність розсіяного світла без поля.
|
Рис. 1.
|
При впливі на зразок змінного електричного або магнітного поля з частотою w, розсіяне
світло змінюється з частотою 2w і деяким зрушенням за фазою, що залежать від частоти. На рис. 1 зображено
малюнок екрану двухлучевого осцилографа; нижній промінь показує зміну електричного поля, верхній промінь -
сигнал пропорційний інтенсивності розсіяного під кутом Q = 90 ° світла (частота зміни поля 120 Гц, зразок CoFe
2 O
4 в гасі). Нам не вдалося надійно виявити зразки, в яких одночасно вдалося б спостерігати зміну розсіяння і в електричному, і в магнітному полях. У мж типу магнетит в гасі спостерігалася зміна світлорозсіювання при дії магнітного поля, при дії електричного поля в межах помилок експерименту зміни розсіювання не було виявлено. У мж типу ферит кобальту в гасі надійно вдавалося спостерігати зміни розсіювання тільки в електричному полі, але ефект магнітного подвійного променезаломлення в цьому колоїді реєструвався.
|
|
Рис. 2.
| Рис. 3.
|
На рис.2 і рис.3 зображені криві зменшення інтенсивності розсіяного світла з часом після вимкнення електричного (рис.2) і магнітного (рис. 3) полів. Кут розсіювання в обох випадках 90 °. За експериментальними кривим спаду розраховані коефіцієнти обертальної броунівський дифузії для колоїдних частинок за допомогою співвідношення:
, Де
D - коефіцієнт обертальної дифузії.
Коефіцієнт
D пов'язаний з гідродинамічним діаметром сферичної частинки співвідношенням:
, Де
kT -
енергія теплового руху,
h - в'язкість.
Обчислення дали для зразка Fe
3 O
4 У гасі d @ 70 нм, а для зразка CoFe
2 O
4 в гасі d @ 180 нм. Значення гідродинамічних діаметрів частинок знаходяться в доброму згоді з результатами, отриманими за кривими зменшення ефекту подвійного променезаломлення в цих же рідинах [3].
Отримані значення розмірів колоїдних частинок дозволяють зробити висновок про те, що розсіювання світла в зовнішніх полях визначається переважно агрегатами, що містять порядку 10 - 100 часток. Агрегати, ймовірно, не утворюються під дією імпульсів поля, а існують в рідині з моменту її приготування. Це припущення підтверджується даними фотонної кореляційної спектроскопії мж без впливу зовнішніх полів [4], які дають значення розмірів таких агрегатів ~ 100 нм.
Література. 1.
Скибин Ю. М. Молекулярно-кінетичний механізм електро-та магнітооптичних явищ в магнітних рідинах. Дис ... доктора фіз.-мат. наук. -
Ставрополь, 1996. - 319 с.
2.
Yerin CV, Padalka VV Relaxation of the birefringence induced by external fields in a ferromagnetic colloids / / Book of Abstracts 9-th International Conference on Magnetic Fluids. Bremen, 2001. - P. 226.
3.
Падалка В.В., Єрін К. В. Оптичний метод виявлення агрегатів в розбавлених магнітних колоїдах / / Збірник наукових праць 10-ї Міжнародної Плесской конференції з магнітним рідин.
Іваново: Вид-во ІГЕУ, 2002. - С. 162-167.
4.
Neitsel U., Barner K. Optical measurements on ferromagnetic colloids / / Physics Letters. - 1977. - V. 63, № 3. - P. 327-329.