Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Молекулярно-кинетический механизм электро- и магнитооптических явлений в магнитных жидкостях Скибин, Юрий Николаевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Скибин, Юрий Николаевич. Молекулярно-кинетический механизм электро- и магнитооптических явлений в магнитных жидкостях : автореферат дис. ... доктора физико-математических наук : 01.04.14 / Ставропольский гос. ун-т.- Ставрополь, 1996.- 34 с.: ил. РГБ ОД, 9 97-3/1787-3

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.

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  1. 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.

  2. Научно обоснованы электро- и магнитооптические методы определения средних значений магнитного момента и размера коллоидных

частиц, регистрации и исследования топографии магнитных полей сложной конфигурации.

  1. Разработаны способы экспресс-анализа дисперсного состава и фазовой неустойчивости МЖ, основанные на исследовании релаксации оптической анизотропии и кинетики анизотропного светорассеяния.

  2. 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:

  1. 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.

  2. 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.

  1. 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.

  2. Методики, принципиальные схемы устройств и результаты измерения среднего магнитного момента и степени дисперсности частиц МЖ по магнитооптическим измерениям в постоянном и переменном магнитных полях.

  3. 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.

  4. Магнитооптический метод визуализации, измерения и изучения конфигурации магнитного поля.

  5. Положение о двух механизмах хемосорбции молекул олеиновой кислоты на поверхности магнетита и преобладании сильной связи, сопровождающейся их диссоциацией.

  6. Экспериментальное обоснование определяющей роли термодинамической неустойчивости МЖ в явлениях рассеяния света, инверсии экстшйсции и анизотропном светорассеянии в магнитном поле.

  1. 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.

  2. 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.