Дослідження магнітної рідини методом розсіювання світла

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.