О магнитных жидкостях с дисперсией немагнитных включений различной формы Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539

О МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ С ДИСПЕРСИЕИ НЕМАГНИТНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ

©2003 г. Ю.И. Диканский, Ж.Г.Вегера, В.Н.Суздалев, ЮЛ.Смерек

The earned out investigations enable us to assert that it is possible to control electric properties of the magnetic liquids by the fine-dispersible filler by means of the magnetic field that may be applied in instrument engineering and technology

Магнитные жидкости (МЖ) - ультрадисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков - в настоящее время считаются хорошо изученными [1-3]. Вместе с тем практический интерес могут представлять МЖ при наличии в них немагнитных включений - частиц микронных размеров различной формы.

При воздействии на такую МЖ магнитного поля немагнитные включения могут рассматриваться как «диамагнитные частицы», имеющие магнитные моменты, направленные противоположно полю [4]. При этом взаимодействие и ориентация немагнитных частиц должны приводить к возникновению анизотропии ряда свойств (оптических, электрических, реологических) таких сред, что открывает новые возможности применения МЖ. В настоящей работе исследуется формирование структуры в МЖ с дисперсией немагнитных включений различной формы и связанные с этими процессами особенности оптических и электрических свойств таких сред.

Для изучения процессов структурообразования, наблюдающихся в результате воздействия на исследуемые среды магнитного поля, использовалось явление дифракционного рассеяния света их тонкими слоями (30 — 40 мкм). Источником света служил луч гелий-неонового лазера, направленный перпендикулярно плоскости слоя образца. Регистрацию рассеянного света осуществляли с помощью фотосопротивления, а соответствующий электрический сигнал, пропорциональный интенсивности падающего на фотосопротивление света, измеряли цифровым прибором или записывали с помощью двухкоординатного самописца. Для визуального наблюдения процессов структурообразования немагнитных частиц и их поведения в магнитном поле использовался оптический микроскоп со сканированием изображения цифровой видеокамерой на экран монитора.

МЖ с дисперсией немагнитных частиц сферической формы

Для получения таких сред в МЖ на основе керосина с магнетитовыми ультрадисперсными частицами были введены латексовые сферы одинакового диаметра (2,5 мкм) [5]. При этом концентрация магнетита в исходной МЖ составляла 10 %, а объемное содержание немагнитного наполнителя достигало 10-20%.

Магнитный момент немагнитной частицы, помещенной в МЖ, находящуюся в магнитном поле, может быть найден при рассмотрении магнитостатической задачи, аналогичной электростатической для диэлектрического эллипсоида [6] В этом случае для магнитного момента М сферической дырки в неограниченном объеме МЖ справедливо выражение

М = -

-га,

1 + 2*/3

где х - магнитная восприимчивость МЖ; V - объем немагнитной сферической частицы. Вследствие взаимодействия магнитных моментов происходит объединение немагнитных частиц в цепочечные структуры, при этом в случае направления поля вдоль слоя энергия взаимодействия частиц в цепочке, согласно [7],

^ п ц «I

может быть представлена в виде \¥ = -2 —— £ ——,

Л 1 V

где М - модуль магнитного момента сферы; с1 — диаметр сферической частицы; п — количество частиц в цепочке.

Взаимодействие частиц, принадлежащих различным цепочкам, приводит к объединению коротких цепей в более длинные, а при достаточно их высокой концентрации - и к боковому слипанию и образованию структур, подробно рассмотренных в [4].

Если вектор напряженности магнитного поля направлен вдоль нормали к поверхности слоя, то длина образующихся цепочек ограничивается толщиной слоя. В этом случае энергия взаимодействия двух цепочек может быть определена как суммарная энергия попарного взаимодействия частиц, принадлежащих разным цепям при учете всех комбинаций пар (рис.1). Для энергии взаимодействия любой пары частиц, принадлежащих разным цепям, с учетом одинакового направления их моментов и равенства их по величине справедливо выражение IV = -М2(Зсоз2-1)/г3.

Как можно видеть из рис.1, г = (а2 + ((- ])гй2)112,

cos2 0 = -

Сi-jfd2

■, где I - номер частицы пер-

а2+а-1)2с12 вой цепи; j— номер частицы второй цепи (отсчет сверху вниз); а — расстояние между цепями; (I — диаметр частицы.

Тогда энергия взаимодействия двух цепочек, содержащих по п частиц, может быть представлена в

виде \У = М2$,' •

Й(а2+^20'-;)2)5/2

Полученное выражение стремится к минимуму при увеличении расстояния между цепочками, что дает основание прийти к заключению, что взаимодействие цепочек, содержащих одинаковое число частиц, в конечном итоге носит характер отталкивания. В связи с этим можно сделать вывод, что наиболее вероятным является такое расположение параллельных цепей, при котором их концы располагаются у границ слоя в узлах

гексагональной решетки. Отметим, что сделанный вывод находится в соответствии с результатами численного моделирования устойчивых двумерных структур, формирующихся в магнитном поле из дипольных частиц, выполненного А.О. Цеберсом [2].

Рис.1. Схема для расчета энергии взаимодействия цепочных структур

Упорядоченное пространственное расположение структурных образований немагнитных сферических включений приводит к возникновению анизотропного рассеяния света, некоторые особенности которого приведены в [8], а также впоследствии исследовались нами в [5]. Оказалось, что при направлении магнитного поля перпендикулярно слою исследуемой МЖ (вдоль лазерного луча) дифракционная картина представляет собой светлое кольцо, диаметр которого остается постоянным при увеличении поля и зависит лишь от концентрации немагнитных сферических включений. В этом случае в поле зрения микроскопа наблюдается гексагональная структурная решетка, предположительно образованная торцами цепочечных структур. Исследование зависимости интенсивности рассеянного света от угла рассеяния позволяет зафиксировать наличие также второго дифракционного кольца. В [9] показано, что гексагональная решетка должна давать дифракционное кольцо с угловым диаметром 0 = 7А/2яа (а - сторона гексагена). Вместе с тем проведенные расчеты с помощью этой формулы не дали в рассмотренном случае хорошего согласия с данными измерений, проведенных с помощью оптического микроскопа.

Более сложная дифракционная картина, наблюдается при направлении напряженности магнитного поля вдоль плоскости слоя МЖ с немагнитными сферическими частицами (рис. 2) В этом случае при невысокой объемной концентрации наполнителя (2-5 %) они объединяются в линейные цепи, при этом число частиц в разных цепочках может быть различным. Расстояния между параллельно расположенными цепями также могут быть разными, т.е. такая структурная решетка не является регулярной. Наблюдаемая дифракционная картина, вероятно, обусловлена дифракцией света как на сферических частицах, так и на отдельных цепочечных структурах, в которых между сферами существует некоторый зазор. Рассмотрение цепочки сфер с одинаковыми расстояниями между ними как своеобразной дифракционной решетки позволило определить ее период.

Его значение оказалось близким к диаметру сфер (с1 = 2,5 мкм). Дополнительным воздействием электрического поля на структурную решетку, созданную магнитным полем, можно управлять ее упорядоченностью.

Это следует из анализа дифракционной картины, полученной при дополнительном воздействии электрического поля, направленного вдоль лазерного луча (перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля). В такой ситуации при некотором пороговом значении напряженности электрического поля дифракционная картина становится нестабильной (начинает мерцать), вдоль вертикального направления выделяются максимумы и минимумы интенсивности.

Рис 2. Дифракционное рассеяние света тонким слоем МЖ с дисперсией немагнитных частиц сферической формы при направлении магнитного поля вдоль слоя жидкости

При выключении электрического поля первоначальная дифракционная картина восстанавливается. Отметим, что величина пороговой напряженности электрического поля зависит от напряженности магнитного поля, в котором находится образец. Таким образом, возможность управления структурой МЖ с немагнитными сферическими микрочастицами с помощью магнитного и электрического полей может указывать на перспективность применения таких сред в качестве управляемых дифракционных систем.

МЖ с дисперсией немагнитных частиц цилиндрической формы

Такие магнитные среды были созданы путем добавления в МЖ на основе керосина стеклянных цилиндрических частиц длиной несколько микрометров, полученных путем измельчения стекловолокна. Воздействие магнитного поля ориентирует цилиндрические частицы вдоль направления поля. Если вектор напряженности вращается вокруг перпендикулярной слою оси, то частицы также приходят во вращение с той же частотой, что и поле, но так, что ось цилиндра и направление напряженности поля образуют некоторый угол, который будем называть углом запаздывания.

В этом случае уравнение движения частицы имеет вид Кт = К,, где К(п и К, - механические моменты магнитных и вязких сил. Механический момент вяз-

Г1т „ 8л77а3

ких сил ПО] К, -со , где Т1- вязкость

' 3(1п2й/Ь-0,8)

МЖ; а - половина высоты цилиндрической частицы; Ь - радиус ее основания; (О — угловая скорость движения частицы.

Модуль механического момента магнитных сил кт=110[мн] может быть найден аналогично определению механического момента, действующего на диэлектрический эллипсоид в электрическом поле [6]. Проекции магнитного момента цилиндрической немагнитной полости, помещенной в МЖ, в случае, когда большая полуось полости много больше малой, имеют вид

ХУН}

Мг =-

1 + Ж

где Нх и Ну - проекции напряженности магнитного поля на направления осей анизотропии формы частицы (ось х совпадает с осью цилиндра).

С учетом этого модуль механического момента магнитных сил может быть представлен в виде

Кт =

Х2УН2$ т(2а) 2(1 + ^)(2 + ^)

, где Я - модуль напряженности

магнитного поля; а- угол между вектором напряженности поля и осью цилиндра; V — объем немагнитной цилиндрической частицы.

Отметим, что в случае частиц разной длины вследствие различного момента вязких сил их поведение во вращающемся магнитном поле несколько отличается. Угол запаздывания для более длинных частиц с увеличением частоты вращения увеличивается быстрее, и при достижении его значения 45° вращательное движение частицы преобразуется в колебательное.

Все эти процессы оказывают существенное влияние на оптические свойства тонких слоев таких сред. Так, действие магнитного поля, направленного вдоль слоя с такой МЖ приводит к появлению анизотропного светорассеяния. В результате этого на экране появляется светлая полоса, обусловленная выстраиванием вдоль поля цилиндрических частиц. При вращении поля вследствие распределения частиц по размерам больших полуосей полоса расщепляется на несколько полос разной интенсивности. Измерение интенсивности этих полос позволяет определить распределение цилиндрических частиц по длине. Замечено, что некоторые полосы имеют прерывистый характер. Это возникает в результате дифракции света на тонком волокне. Дифракция происходит на всех волокнах, но заметной становится только для тех групп частиц одной длины, которые одинаковы и по толщине. Расчет толщины отдельных групп волокон при использовании полученной дифракционной картины дал величины от 0,1 до 0,2 мкм, что хорошо согласуется с данными измерения толщины волокна с помощью оптического микроскопа.

МЖ с дисперсией немагнитных частиц с высокой электропроводностью

В дальнейших исследованиях в качестве дисперсного наполнителя использовались проводящие частицы (графитовая пыль) размером от 1 до 6 мкм. При воздействии на такую среду магнитного поля происходит объединение графитовых частиц в це-

почные образования, о чем свидетельствует появление анизотропного рассеяния света. В качестве примера на рис.З приведены индикатрисы рассеяния, полученные при напряженности магнитного поля 1,8 и 5,4 кА/м.

1/1 о, 10-

100-

0,01-

<р. град.

-10

-5

0

10

Рис. 3. Индикатрисы рассеяния света тонким слоем МЖ при напряженности магнитного поля 1,8 и 5,4 кА/м

Возникновение структурной анизотропии при воздействии магнитного поля на синтезированные композиционные среды должно приводить к возникновению анизотропии их физических свойств, в частности их электрической проводимости. С целью проверки этого предположения были проведены исследования сопротивления слоя МЖ с дисперсным проводящим наполнителем. Для исследования электрического сопротивления использовалась стандартная измерительная ячейка с плоскими круглыми электродами, расстояние между которыми составляло 2 мм. После заполнения ячейки исследуемой средой она помещалась в намагничивающую систему, позволяющую получать однородное магнитное поле напряженностью до 10 кА/м. Сопротивление слоя МЖ, находящегося между электродами ячейки, измерялось с помощью цифрового омметра типа Щ 34; кроме того, исследовались вольтамперные характер ристики этого слоя.

Электрическая проводимость исследованной МЖ с проводящим дисперсным наполнителем оказалась зависимой от величины и направления (по отношению к направлению линий тока) магнитного поля. Как видно из рис. 4, сопротивление слоя исследованной МЖ увеличивается при повышении напряженности магнитного поля в случае его ориентации перпендикулярно линиям тока и уменьшается, когда направления магнитного поля и тока совпадают (кривые 1 и 2 соответственно).

При этом разность между значениями сопротивления в случаях, когда электрическое и магнитное поля перпендикулярны и сонаправлены, определяется величиной объемного содержания немагнитных проводящих включений и может достигать 20 %.

С, пФ

быть записано, согласно [6], в виде Рх =

enV

Я кА/М

Рис. 4. Зависимость сопротивления ячейки с композиционной МЖ от напряженности магнитного поля

Зависимость электропроводности исследуемой среды от величины и направления магнитного поля подтверждается и результатами исследования ее вольт-амперных характеристик, полученных в магнитном поле.

Заметим, что графитовые частицы, будучи проводящими, в электрическом поле приобретают электрический момент, выражение для которого, в случае формы частицы, близкой к эллипсоидальной, может

-Ех, где

пх - деполяризующий фактор частицы вдоль оси, совпадающей с направлением поля.

В случае формирования цепочных агрегатов вдоль электрического поля их электрические моменты увеличиваются за, счет уменьшения деполяризующего фактора, что приводит к увеличению электрического момента всего слоя композиционной МЖ. В результате этого емкость плоского конденсатора, заполненного исследуемой средой, также увеличивается (рис. 5, кривая 1). Напротив, действие магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому полю (вдоль плоскостей конденсатора), приводит к уменьшению его емкости при увеличении напряженности магнитного поля (рис. 5, кривая 2).

Ставропольский государственный университет

Рис. 5. Зависимость емкости ячейки с композиционной МЖ от напряженности магнитного поля

Проведенные исследования позволяют утверждать, что возможно управление электрическими свойствами МЖ с мелкодисперсным наполнителем с помощью магнитного поля, что может найти применение в приборостроении и технике.

Литература

1. Фертман Е.Е. Магнитные жидкости. Минск, 1988.

2. Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнитные жидкости. Рига, 1986.

3. Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. М., 1989.

4. .Skjltorp А.Т. II The American Physical Society - Phys. Review letters. 1983. Vol.51, № 25. P. 2306-2307.

5.Диканский Ю.И. и dp. Дифракционное светорассеяние тонким слоем магнитной жидкости с немагнитным наполнителем // 8-я Всерос. конф. по магнитным жидкостям. Плес, 1998

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., 1957. '

7. Ивановский В.И., Черникова Л.А. Физика магнитных явлений. М., 1981.

8. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. М., 1993.

9. Bacri J., Salin D. II J. Phys.-(Letters). 1982. Vol. 43. № 22. P. L771-L777.

10. Губанов А. Оптические явления, связанные с ориентацией продолговатых частиц в потоке жидкости // У ФИ. 1935. Т. 22. Вып.1. С. 39.

18 июня 2002 г.

УДК 543.42

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СПЕКТРОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИОБИЯ И ТАНТАЛА В РУДАХ

© 2003 г. А.Ф. Лосева, Т.А. Лосева, Г.И. Полуянова

Methods for improvement of the sensitivity of the niobium and tantalum spectrographical analysis are proposed. Both statistical and methodical errors of the analysis are estimated and a procedure of their elimination is proposed.

В природе ниобий и тантал встречаются в виде ниобатов и танталатов. Из-за близости их химических и физических свойств в геологических объектах они присутствуют почти всегда вместе.

Применяемые методики спектрографического определения ниобия и тантала в рудах характеризуются

сравнительно низкои чувствительностью: количественное определение можно проводить начиная с концентрации, близкой к 0,01 % [1, 2]. При меньших концентрациях приходится существенно усложнять операции анализа или применять предварительное химическое обогащение [3]. Анализируя продукты перера-