Общие сведения о магнитных жидкостях (стр. 2 из 3)

Таким образом, до некоторых пор считалось установленным фактом, что магнитная жидкость ведет себя в магнитном поле как однородная суперпарамагнитная среда, в которой элементарным носителем магнетизма являются дисперсные частицы. Однако, в дальнейшем, вместе с осуществлением синтеза более концентрированных магнитных жидкостей, стало появляться все больше работ, ставящих под сомнение применимость для описания свойств МЖ модели однородной среды, подчиняющейся классической теории парамагнетизма. Следовательно исследование процессов структурообразования является весьма актуальным для дальнейшего развития физики магнитных жидкостей.

Структурно-динамические образования в магнитных жидкостях.

Современные успехи в области синтеза магнитных жидкостей, позволяют получать магнитные коллоиды устойчивые к расслоению и сохраняющие свои свойства длительное время. Тем не менее, даже в

таких МЖ не исключена возможность объединения частиц в агрегаты, когда расстояние между ними соответствует вторичному минимуму энергии их взаимодействия при сохранении барьера отталкивания. Эти процессы исследованы в ряде экспериментальных и теоретических работ, анализ которых неоднократно проводился в обзорах [1-3] и в диссертациях (например в [30-32]).

Де Жен и Пинкус [33] рассмотрели коллоид, состоящий из идентичных ферромагнитных частиц, взвешенных в пассивной по отношению к магнитному полю жидкости. Для характеристики диполь-дипольного взаимодействия, приводящего к агрегированию введен параметр, называемый константой спаривания

. При условии b = 1, т.е. возможен магнитный фазовый переход с образованием для верхнего предела плотности решетки антиферромагнитного типа. При этом, реализация антиферромагнитного упорядочения предполагается в цепочечной структуре, среднее число частиц в которой зависит от напряженности внешнего поля и величины параметра магнитодипольного взаимодействия. Следует отметить, что полидисперсность частиц в реальных магнитных жидкостях вносит существенные трудности в разработку предложенной авторами модели, что понижает достоверность сделанных ими выводов о возможности реализации в МЖ антиферромагнитного состояния.

В работе [21] А.О. Цеберс, рассматривая магнитную жидкость как идеальный многокомпонентный газ, исследовал ассоциации частиц и возможность образования нитевидных агрегатов в магнитном поле. В частности им показано, что с увеличением концентрации твердой фазы среднее число частиц в агрегате возрастает. Д. Крюгером было указано, что образование агрегатов начинается с небольших образований из крупных частиц, которые присутствуют в МЖ даже при отсутствии магнитного поля. В магнитном поле, сильное взаимодействие агрегатов приводит к их слиянию и образованию агрегатов веревочного типа. Д. Крюгером и Р.Петерсоном отмечено, что для понимания процессов агрегирования необходимы экспериментальные исследования характерных времен агрегирования и влияния сдвиговых усилий на агрегаты. Отметим, что результаты исследований в этом направлении могли бы быть также полезными в связи с применением МЖ в магнитожидкостных уплотнениях, где МЖ подвергаются воздействию сильных магнитных полей и сдвиговой деформации.

Экспериментальное исследование возникновения агрегатов, проведенное в работе в некоторых случаях дало качественное согласие с выводами, сделанными в теоретических работах. Так отмечено, что при увеличении среднего размера дисперсных частиц образование цепочечных структур происходит даже в слабых полях, что удовлетворяет теории. Во многих работах, посвященных экспериментальному исследованию процессов агрегирования использованы оптические методы. В работе изучалось обратимое образование цепочечных агрегатов в магнитной жидкости на основе воды. Было обнаружено изменение интенсивности света, прошедшего через кювету с магнитной жидкостью в магнитном поле, которое объясняется образованием агрегатов. Интенсивность рассеянного света изменялась в соответствии с выражением

, где Ф0 - интенсивность падающего света, , l - длина волны света, y - угол между рассеянным и проходящим светом, Dh- ширина цепочечного агрегата.

Среднее значение ширины агрегата оказалось равным Dh = 0,9·10-5 м. Такие агрегаты можно наблюдать в оптический микроскоп, что и было осуществлено. При визуальных наблюдениях выяснено, что образование агрегатов является обратимым, их длина зависит от напряженности магнитного поля, а число частиц в агрегате во всех случаях превосходит значения, которые дает теория. Оптический метод исследования агрегирования был использован в работах Бибика Е.Е. и др. Было обнаружено уменьшение прозрачности магнитной жидкости при воздействии на нее магнитного поля, что связано авторами с происходящим при этом процессом агрегирования. Ими также рассмотрено влияние электрического поля, направленного перпендикулярно магнитному на магнитооптический эффект, обусловленный агрегированием.

Процессы агрегирования с помощью исследования дифракционного светорассеяния изучались в ряде работ. Вследствие вытянутости агрегатов вдоль магнитного поля и соизмеримости их поперечных размеров с длиной световой волны, они в своей совокупности действуют как нерегулярная дифракционная решетка, значительно (на 1-3 порядка), увеличивая интенсивность светорассеяния в плоскости перпендикулярной полю. Теоретически рассеяние света тонкими слоями МЖ, содержащими вытянутые вдоль поля агрегаты, было рассмотрено Райхером Ю.Л. При этом, предполагалось, что слой магнитного коллоида представляет собой чередование параллельных цепочек из частиц, так, что межцепочечные промежутки образуют систему узких прозрачных щелей, рассеивающих свет. Была рассчитана угловая зависимость интенсивности монохроматического света, рассеиваемого такой системой, когда отсутствует порядок в расположении щелей.

Экспериментальное исследование анизотропного рассеяния света проведено в, где исследуемые образцы магнитной жидкости получали разбавлением концентрированных МЖ растворителем и растворителем с добавлением ПАВ, установлена связь между структурой разбавленных МЖ и характеристиками светорассеяния ими в магнитном поле. Дифракционное светорассеяние тонкими слоями МЖ, подверженных действию магнитного поля, исследовано в работе А.Ф.

Пшеничникова. Обработка полученных экспериментально индикатрис рассеяния с применением теоретических выводов позволила автору получить информацию о процессах агрегирования и динамике трансформации агрегатов в магнитном поле.

Исследование структурной анизотропии коллоидных систем возможно также с помощью изучения явления двойного лучепреломления в таких средах. Исследованию этого эффекта, возникающего в магнитных жидкостях при воздействии магнитного поля посвящен ряд работ. Отметим, что во многих работах причиной оптической анизотропии считается неидеальная форма частиц, которую можно охарактеризовать отношением полуосей b/a некоторого эквивалентного эллипсоида вращения. В магнитном поле происходит ориентационное упорядочение частиц и коллоид приобретает анизотропные свойства. При этом, вследствие малости частиц по сравнению с длиной волны в видимой области спектра, анизотропию коллоида можно описать тензором поляризуемости коллоидной частицы на оптических частотах:

где единичный вектор n направлен вдоль выделенного направления частицы, а a|| и a^ - параллельная и поперечная (по отношению к n) компоненты поляризуемости частицы в электрическом поле световой волны. В этом случае изотропная часть тензора диэлектрической проницаемости может быть представлена в виде [3]: