Структурная организация немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 532.738

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НЕМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ

ПОЛЯХ

© 2005 г. Ж.Г. Вегера, Ю.И. Диканский

The peculiarities of structural organization of non-magnetic dielectrical particles of different shapes placed into liquid magnetizing media - ferrocolloid - have been investigated in present work. It has been revealed that the most effective control of structural properties of such media can be exercised by means of joint action of magnetic and electrical fields.

Магнитные жидкости (ферроколлоиды) в настоящее время считаются достаточно хорошо изученными [1 - 3]. Вместе с тем практический интерес могут представлять магнитные жидкости при наличии в них ансамбля немагнитных включений - диэлектрических частиц микронных размеров различной формы. В магнитном поле немагнитные включения, расположенные в среде, способной намагничиваться, могут рассматриваться как «диамагнитные частицы», имеющие магнитные моменты, направленные противоположно полю [4]. В этом случае для магнитного момента сферической дырки в неограниченном объеме магнитной жидкости справедливо выражение:

Ж

-VH.

т =

1+2x13

Вследствие взаимодействия магнитных моментов происходит объединение немагнитных частиц в цепочечные структуры, которые ориентируются вдоль вектора напряженности поля. Созданная таким образом структурная анизотропия приводит к анизотропии физических свойств (в частности оптических и электрических), что ранее нами исследовалось в [5]. Так как частицы являются диэлектрическими, то при дополнительном действии электрического поля они приобретают также электрические моменты, что приводит к появлению дополнительных сил взаимодействия, что, несомненно, представляет интерес с точки зрения повышения управляемости структурной организацией ансамбля немагнитных микрочастиц, помещенных в магнитную жидкость.

Методика и техника эксперимента

Изучение процессов структурообразования, наблюдающихся в результате воздействия на исследуемые среды магнитного и электрического полей, осуществлялось в тонких слоях магнитных жидкостей, содержащих цилиндрические и сферические частицы микронных размеров. Магнитная жидкость представляла собой коллоидный раствор магнетита в керосине с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора, объемная концентрация дисперсной фазы составляла 6 %. Частицы цилиндрической формы получали из стекловолокна путем его измельчения, в качестве сфериче-

ских частиц использовались микрокапли глицерина. Выбор последних в качестве объекта исследования был обусловлен сравнительно высокой диэлектрической проницаемостью глицерина и его способностью не смешиваться с дисперсионной средой магнитного коллоида. Для сравнения был исследован также образец, представляющий собой ансамбль диспергированных в глицерине микрокапель магнитной жидкости, используемой в основных исследованиях.

Исследование структурных и ориентационных эффектов, наблюдающихся в образцах в магнитном и электрическом полях, проводилось с помощью наблюдений в оптический микроскоп, при этом использовалась ячейка, схема которой приведена на рис. 1. Она представляла собой предметное стекло 1, на поверхность которого наклеены две прямоугольные металлические пластины 2 (медная фольга), в зазоре между торцами которых при подаче на них напряжения создавалось электрическое поле. Зазор между пластинами заполнялся магнитной жидкостью, сверху ее объем ограничивался покровным стеклом 3, после чего ячейка закреплялась на столике микроскопа. В связи с трудностями проведения наблюдений в постоянном электрическом поле из-за поляризации электродов и электрофоретической миграции структурных образований исследования в основном проводились в переменных полях в частотном диапазоне 45-2000 Гц.

Рис. 1. Схема ячейки для исследования поведения немагнитных включений в электрическом и магнитном полях: 1 - предметное стекло, 2 - металлические пластины, 3 - покровное стекло

Для создания в ячейке магнитного поля микроскоп помещался между катушками Гельмгольца так, что образец находился в области наибольшей однородности поля. Оценка размеров структурных образований, их линейных и угловых перемещений, проводилась с помощью окулярного микрометра. Дополнительно осуществлялось фотографирование структуры с помощью цифровой фотокамеры. Снимки заносились в память компьютера, где проводилась их обработка.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Обнаружено, что капли глицерина, помещенные в магнитную жидкость, при воздействии как электрического, так и магнитного поля объединяются в цепочечные структуры, вытянутые вдоль линий напряженности поля (рис. 2). В случае ортогонального направления напряженностей электрического и магнитного полей, цепочка, образовавшаяся в предварительно включенном одном из полей, при включении другого поля поворачивается на некоторый угол, величина которого определяется соотношением напряжен-ностей полей.

На рис. 3 (кривая 1) представлен график зависимости Е2 = /(Н2), соответствующий стационарному расположению цепочки в скрещенных магнитном и электрическом полях под углом 30° к вектору напряженности магнитного поля. Следует отметить, что при попытке увеличения этого угла выше 30° путем увеличения напряженности электрического поля, происходило слияние капель цепочки в более крупные, вплоть до образования одной крупной капли. Можно предположить, что этот процесс соответствует минимизации полной энергии цепочки, которая является суммой трех ее компонент - магнитной, электрической и поверхностной энергий. При уменьшении угла между направлением электрического поля и осью цепочки происходит увеличение индуцированного полем электрического момента каждой капли и цепочки в целом, кроме того, угол между момен-

том отдельной капли и осью цепочки уменьшается. Это приводит к увеличению дипольного взаимодействия глицериновых капель, обладающих достаточно высокими диэлектрическими свойствами, и как следствие к их слиянию.

При исследовании поведения капель магнитной жидкости, взвешенных в глицерине, также обнаружено их объединение в цепочки как в электрическом, так и в магнитном полях. Однако в отличие от цепочек, образованных из глицериновых капель, цепочки из капель магнитной жидкости могли устанавливаться под любым углом к направлениям напряженностей полей без разрушения капель. Так, наблюдение за процессами агрегирования капель магнитной жидкости в глицерине показало, что предварительно образованные и ориентированные в магнитным поле цепочки, разворачиваются при последующем действии электрического поля вплоть до полной ориентации вдоль вектора Е. По-видимому, такое отличие связано с малой величиной диэлектрической проницаемости магнитной жидкости по сравнению с глицерином. Для цепочек из микрокапель магнитной жидкости также

был получен график зависимости Е2 = /(Н2), соответствующий стационарному расположению цепочки в скрещенных магнитном и электрическом полях (для угла между осью цепочки и напряженностью магнитного 30°), который представлен на рис. 3 (кривая 2).

Обе зависимости Е2 = /(Н2) как для цепочки из микрокапель глицерина, так и для цепочки из микрокапель магнитной жидкости являются линейными, однако углы наклона этих зависимостей разные.

В отличие от сферических частиц, объединения цилиндрических частиц в цепочечные агрегаты обнаружено не было, однако они, также как и цепочечные агрегаты из микрокапель, ориентируются как в магнитном, так и в электрическом полях. При этом оказалось, что процессы ориентации в электрическом поле существенно зависят от частоты переменного

Рис. 2. Эмульсия глицерина в магнитной жидкости при воздействии постоянного магнитной поля (Н=2 кА/м)

Рис. 3. Компенсационные кривые для магнитной эмульсии, £=2 кГц (1 - эмульсия магнитной жидкости в глицерине; 2 - эмульсия глицерина в магнитной жидкости)

электрического поля. Отметим, что в постоянном электрическом поле ориентации таких частиц обнаружено не было. По-видимому, это связано с близкими значениями статической диэлектрической проницаемости стекла и магнитной жидкости. Ориентация частиц появляется благодаря зависимости диэлектрической проницаемости магнитной жидкости от частоты [1]. Действительно при повышении частоты диэлектрическая проницаемость магнитной жидкости, омывающей стеклянную частицу, может отличаться от значения этого параметра для стекла, что и приводит к появлению момента сил, ориентирующих частицу вдоль направления поля. Вместе с тем не исключено, что причиной такого поведения может быть и наличие электрической проводимости у магнитной жидкости, величина которой может изменяться при повышении частоты подаваемого на электроды ячейки напряжения.

На рис. 4 представлены графики зависимости 2 2

Е = /(Н ), отражающей стационарное расположение цилиндрической частицы в скрещенных магнитном и электрическом полях (для угла между осью частицы и напряженностью магнитного поля 45°), соответствующие двум значениям частоты электрического поля.

Для анализа результатов проведенных исследований рассмотрим моменты сил, действующие на частицу анизотропной формы (цепочечный агрегат) в магнитном и электрическом полях. Рассмотрим сначала цепочку глицериновых капель, находящуюся в магнитном и электрическом полях. Согласно [4], выражение для момента сил, действующее на диэлектрический эллипсоид, может быть представлено в виде

Рис. 4. Компенсационные кривые для стеклянной цилиндрической частицы (1 - £=45 Гц; 2 - £=200 Гц)

тангенса угла наклона компенсационной зависимости Е2 = /(Н2):

Кэ - е0е1'

iF Л2 е -1 е1

(1 - 3n)E 2V sin 2^

2

f f 1 +

-1

Л Y n J J

1 + -

Л Л

-1

J

tgS- E 2/ H 2 -

(1)

ИоХ

2 (1 - 3N

1 +

f e Л e-1 e1

1 + Г -, e1

e-1

Г

Л ^ n

J J

e0e1

fr Л e -1 e1

(1 - 3n) + X-XN )2 + X-XN)

Нетрудно заметить, что наклон зависимости Е2 = / (Н2) определяется соотношением параметров, характеризующих магнитные и диэлектрические свойства среды.

Аналогично получим выражение для условия стационарного расположения цепочки, образованной из микрокапель магнитной жидкости, взвешенных в глицерине:

2 (1 - 3^Н2У8т2а

М0Х Л-1-=

2(1 + xN )2 + X-XN E

= е0е2■

f е Л е -1 е2

(1 - 3n)E2 V sin 2^

где е1 и е2 - диэлектрическая проницаемость магнитной жидкости и глицерина соответственно; ф - угол между длинной полуосью эллипсоида и вектором напряженности электрического поля; п - коэффициент деполяризации.

Для момента магнитных сил возьмем выражение из [5] для стержнеобразной немагнитной частицы, помещенной в магнитную жидкость:

К = 2 (1 - )Н 2У 81п2а

К- =^0Х 2(1 + х-Х*\2 + х-Х)

Из равенства моментов магнитных и электрических сил (в стационарном состоянии величины этих моментов равны) можно получить выражение для

2

( ( 1 +

е -1

е2

л Y n

у J

1+е -

е2

V

е -1

е2

ЛЛ

n

j J

Тангенс угла наклона в этом случае определяется выражением:

tgS' - E 2/ H 2 -

М)Х2 (1 - 3N)

1 +

f е ^ е -1 е2

n 2 +

е

е-1 е2

r-1 е2

(2)

Л Л n

J J

e0e2

е

-1

е2

(1 - 3n)(1 + xN )(2 + X-XN)

Отличие выражений (1) и (2) может служить объяснением неравенства углов наклона зависимостей

2

2

e

2

2

n

2

E 2 = / ^ 2), полученных для случая цепочек из глицериновых микрокапель в магнитной жидкости и микрокапель магнитной жидкости в глицерине.

Следует заметить, что результаты исследования стационарного расположения цепочечных агрегатов в ортогонально направленных магнитном и электрическом полях позволяют делать оценки диэлектрической проницаемости капель (при известных магнитных параметрах магнитной жидкости) и наоборот -магнитной восприимчивости магнитной жидкости при известной диэлектрической проницаемости немагнитных включений.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности эффективного управления структурными свойствами магнитных жидкостей с помещенным в них ансамблем немагнит-

Ставропольский государственный университет_

ных частиц с помощью магнитного и электрического полей. Это в свою очередь открывает возможности регулирования макроскопических свойств такой среды, чувствительных к их структурному состоянию.

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

5. Dikansky Yu.I. et al. // Magnetohydrodynamics. 2002. Vol. 38. № 3. P. 281 - 285.

30 марта 2005 г