ДОСЛІДЖЕННЯВЛАСТИВОСТЕЙ МАГНІТНИХ РІДИН МЕТОДОМ світлорозсіювання
Введення
Піддругій половині минулого століття були синтезовані колоїдні розчини магнітнихматеріалів, які згодом отримали назву В«магнітні рідини (Magnetic fluids)В»[29]. Магнітні рідини (МЖ) - ультрадисперсні (із середнім діаметром нм) стійкі колоїдиферо-або феррімагнітних однодоменних частинок, диспергованих у різнихрідинах і вчиняють інтенсивне броунівський рух. В якості дисперсноїфази використовують малі частки таких металів як залізо, кобальт, нікель,гадоліній, їх різноманітні ферити, феромагнітні оксиди. Для запобіганнякоагуляції колоїдного розчину, яка була б неминучою внаслідокмагнітного диполь-дипольного і ван-дер-ваальсовского взаємодій іподальшого укрупнення часток, в якості стабілізаторів застосовують поверхнево-активніречовини (ПАР) типу олеїнової кислоти. Адсорбуючись на поверхнімікрокристалічних дисперсних частинок ПАВ утворюють захисну оболонку, яка представляєз себе своєрідний структурно-механічний бар'єр [10]. Унаслідок малогорозміру часток мж вона не розшаровується і зберігають свою однорідність практичнонеобмежений час.
Дослідженнятаких рідин мають велике теоретичне значення, оскільки пов'язані зрішенням фундаментальних фізико-хімічних проблем, а також практичнезначення, оскільки сприяють їх застосуванню в машинобудуванні, електроніці, медицині,космічній техніці і т.д. [2], [6], [7], [9], [19]. Розробка пристроїв ззастосуванням МЖ засновані на взаємодії їх із зовнішнім магнітним полем,впливає на внутрішню структуру колоїдної системи. Тому поряд зрозробкою нових застосувань МЖ ведуться теоретичні та експериментальнідослідження їх фізичних і фізико-хімічних характеристик, які, в своючергу, визначаються властивостями колоїдних частинок, їх взаємодією узовнішніх полях. Наукові досягнення в цій галузі стали можливі за рахуноккомплексного підходу із застосуванням класичних методів статистичноїтермодинаміки, молекулярної оптики, фізики магнітних явищ, фізичної хімії,механіки суцільних середовищ.
Істотнийвнесок в експериментальне вивчення фізичних властивостей мж вносять оптичніметоди (подвійне променезаломлення, дихроїзм, розсіювання світла і т.д.)
Вельмиактуальними є задачі дослідження оптичними методами міжчастковихвзаємодій, орієнтаційних ефектів, що розвиваються в МЖ під дієюелектричного і магнітного полів.
Заданими електронної мікроскопії, розмір однодоменних частинок магнетиту в магнітноїрідини ~ 100. Експерименти поподвійного променезаломлення в магнітній рідині в магнітних і електричних поляхдають значно більші розміри частинок. Завдання даної експериментальної роботипо світлорозсіювання складається визначенні розмірів спостережуваних частинок і побудовінайпростішої моделі утворення кластерів частинок, що складаються з 100 частинок. Попереднідослідження кінетики спаду двопроменезаломлення (ДЛП) в магнітної рідини наоснові Fe 3 O 4 показують, що кластери складаються з 3 - 15 частинок. Модельно такі кластери покипредставляються еліпсоїда обертання.
ГЛАВА 1. Магнітної рідини ЯК колоїдної системиМАГНІТНИХ ЧАСТИНОК ТА ЇЇ ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Фізичні властивості МЖ описані в прекрасному огляді Шліоміса [32], слідуючицього огляду, нагадаємо статистичні властивості магнітних колоїдів.
Існування магнітних колоїдів припускає, що зважені вдисперсної середовищі тверді частинки дисперсної фази не осідають під дією силитяжкості. Це можливо в тому випадку, якщо швидкість осідання частинок,визначувана формулою Стокса, не буде перевищувати швидкість теплового рухуцих частинок в несучій рідині.
У полі тяжіння тверда частинка, зважена в рідкій несучої середовищі,відчуває дію сили, якаврівноважується в стаціонарних умовах силою в'язкого тертя Стокса:. Звідси
,
тобто сферичнічастинки діаметра d утворюють седиментаційних потік, рівний числу частинок,перетинають в одиницю часу одиничну площадку, розташовануперпендикулярно до лінії дії сили тяжіння. В результаті такого рухучастинок виникає градієнт концентрації, що приводить в свою чергу довиникненню дифузійного потоку частинок, описуваного законом Фіка:, і спрямованого протилежноседиментаційних потоку.
У рівноважному стані ціпотоки повинні врівноважувати один одного:,звідки випливає
З урахуванням того, що длясферичних частинок коефіцієнт дифузії дорівнює,отримаємо:
З цих формул можна зробитиоціночні прикидки. В якості оціночних параметрів приймемо: ПЃ 1 = 5200кг/м 3 ; ПЃ 2 = 770 кг/м 3 ; О· = 1,5 О‡ 10 -3 кг/м в€™ с; d = 10Нм; Т = 300 К; k = 1,38 О‡ 10 -3 Дж/К.
Тоді середня швидкістьосідання:.
Теплова швидкість:.
Характеристична висота, наякій концентрація частинок зменшується в е раз:.
З наведених оцінок видно,що дифузійні процеси явно переважають над седиментаційних. Наприклад, піддією сили тяжіння частинка d = 10 нм зміщуєтьсяна 1 мм приблизно за 70 днів, а таке ж дифузійне зсув станеться за 2,5години.
Броунівськийрух частинок в магнітній рідині
Для оптичних досліджень в макроскопічних об'ємах магнітної рідиниїї розбавляють до дуже низьких концентрацій порядку 5 О‡ 10 -3 об'ємних відсотків ( П† = 5 О‡ 10 -5 об'ємноїконцентрації).
Об'ємна концентрація часток твердої фази в колоїдних розчинах розраховуєтьсяз таких міркувань. Обсяг магнітної рідини V МЖ складається з обсягу рідкої основи V Про ,обсягу твердої фази V Т та обсягуповерхнево-активної речовини, що покривають частинки, V ПАР :
Відповідномаса магнітної рідини складається з маси твердої і рідкої фаз:
,
де ПЃ М Ж - Щільність магнітної рідини; ПЃ Про - щільністьрідкої основи; ПЃ Т - щільність магнітного матеріалу; ПЃ ПАР - щільність поверхнево-активної речовини.
Тоді
Позначимо: - об'ємна концентраціярідкої основи;
- об'ємна концентраціятвердої фази
Щільністьрідких компонент часто приблизно рівні, тому вважаючи ПЃ ПАР≈ ПЃ Про ,отримаємо
Заметодикою хімічного осадження, запропонованої Е.Е. Бібіком [3], вдається отриматиоднорідну магнітну рідину з щільністю ПЃ МЖ = 1320 кг/м 3 і намагніченістю насичення М ВҐ = 46 кА/м . Об'ємна концентрація частинок магнетитув таких рідинах дорівнює j = 0,124 .Число часток в одиниці об'єму для такої рідини складе N = 2,4 Г— 10 23 м -3 та ,отже, середня відстань між частинками із середнім діаметром d = 10Нм буде порядку 16 нм.
Дляпроведення оптичних експериментів МЖ розбавляють гасом з додаванням ПАРдо об'ємних концентрацій магнетиту ПЃ ПАР = 5 Г— 10 - 5 . Притаких концентраціях МЖ число частинок в одиниці об'єму складає n = 10 20 м -3 і, відповідно,середня відстань між частинками зростає до 200 нм.
Втаких розведених малоконцентрованої колоїдних системах стійкістьзабезпечується за рахунок броунівського руху частинок магнетиту. У відповідності зрівнянням Ейнштейна середній квадрат зміщення частинки за час t дорівнює:
,
де D - коефіцієнт дифузії визначається як відношеннятеплової енергії k Б T до коефіцієнта опору при русі у в'язкійсередовищі. Враховуючи, що частинки магнетиту покриті шаром олеїнової кислоти,використовуваної в якості ПАР, і середня товщина цього шару за ...