Структурирование слоя магнитной жидкости в приповерхностных областях
Одной из важнейших проблем коллоидной химии и физики магнитных явлений
считается образование пространственных структур разного рода в дисперсных
средах, управление процессами их структурообразования и свойствами. В ряде
работ установлена ориентированная вдоль силовых линий агрегация дисперсных
частиц различной природы под действием внешних электрических и магнитных полей.
Причиной ориентирования коллоидов в электрическом поле является приращение к
энергии взаимодействия частиц поляризационной составляющей. При этом, в одних
случаях электрическая поляризуемость коллоидных частиц связана с их объемными
свойствами, в других – с перераспределением ионов двойного электрического слоя
вдоль поверхности частиц, приводящим к появлению составляющей дипольного момента.
Целью работы является исследование процесса структурообразования в тонких
пленках МЖ, а также изменений электрофизических параметров, которые
сопровождают этот процесс.
В проводимых нами экспериментах использовались образцы МЖ типа «магнетит
в керосине» и «магнетит в трансформаторном масле» с объемными концентрациями
твердой фазы 6%. Исследуемая МЖ заливалась в ячейку -плоский конденсатор с
размерами электродов (40х50)мм , в качестве которых применялись стеклянные
пластины с односторонней проводящей поверхностью (напыление SnO2). Межэлектродное расстояние (d) составляло 50 и 100 мкм. Измерения
электроемкости проводились прибором переменного тока Е7-8 на рабочей частоте 1
кГц с подачей постоянного поляризующего напряжения в диапазоне от 0 до 20 В при
температуре 20±5°С. Погрешность измерений не превышала 1,2%. При
микроскопических наблюдениях в оптический микроскоп (120 кратное увеличение)
производилось фотографирование приэлектродных слоев МЖ на цветную
пленку чувствительностью 200 ед. Время экспонирования порядка 6с. Компьютерная
обработка негативов производилась с использованием программы «Photoshop».
Наблюдения слоя МЖ в оптический микроскоп показали, что в
отсутствии постоянного электрического поля слой МЖ однороден и неподвижен. Магнитные
частицы, стабилизированные олеиновой кислотой, не связаны между собой и
движение их имеет характер свободного вращения. Наложение электрического поля
вносит асимметрию в хаотичное распределение частиц по пространственным
координатным осям. В результате ориентации магнитных частиц электрическим полем
происходит формирование приэлектродных слоев объемного заряда, и слой МЖ
представляет собой трехслойный диэлектрик, эффективная диэлектрическая
проницаемость которого определяется диэлектрическими проницаемостями трех
слоев. В областях напряженности электрического поля, соответствующих
максимальным величинам диэлектрической проницаемости, из-за движения жидкости
возникают устойчивые периодические структуры в приэлектродных областях, что
подтверждается микроскопическими исследованиями. В предположении, что величина
и характер изменения диэлектрической проницаемости слоя МЖ в максимуме позволит
получить информацию о процессах структурирования приэлектродных областей, были
проведены микроскопические наблюдения процесса устойчивого
структурообразования. Проведенные исследования в концентрационном диапазоне МЖ
от 2 до 14% свидетельствуют о качественно-различных структурных состояниях,
зависящих от концентрации твердой фазы, межэлектродного расстояния и
реологических свойств жидкости-основы. Так, для слоев в 50 мкм МЖ с
концентрацией твердой фазы (2-4)% при наложении электрического поля характерно
образование концентрационных волн. С ростом концентрации твердой фазы степень
упорядоченности приэлектродных структур возрастает, наблюдаемые изменения
усложняются. Формы структур в слое МЖ с концентрацией твердой фазы (12-14)%
вытягиваются в плоскости, параллельной плоскости электрода. Структура данного
приэлектродного слоя внешне аналогична структурам, образующимся в твердотельных
магнитных пленках и жидких кристаллах.
Микроскопические наблюдения устойчивого структурирования твердой
фазы ячеек МЖ 6% с d=50
мкм при смене полярности постоянного электрического поля также показали на
отличия в структурных состояниях приэлектродных областей. Так, для слоя МЖ
«магнетит в керосине» при заданной полярности электрического поля
напряженностью Е=(140-160) кВ/м структура приэлектродных слоев сходна с
текстурой «отпечатков пальцев». Смена полярности электрического поля изменяет
их вид на «веретенообразные». Избыток олеиновой кислоты (ПАВ), снижая
максимальную величину электроемкости вдвое в том же диапазоне напряженности
электрического поля, вызывает образование ячеистых структур, аналогичных
«ячейкам Бенара», границы которых состоят из магнитных частиц. Изменение
заданной полярности электрического поля меняет приэлектродную структуру на
цепочечную (планарную). Приповерхностные наблюдения устойчивого
структурирования слоя МЖ при изменении структуры стабилизатора (сочетание
олеиновой и стеариновой кислот) показали на возникновение на аноде «ячеек
Бенара», в то время как на катоде структура подобна «лабиринтной». Смена
первоначально-заданной полярности электрического поля не приводит к
видоизменению приповерхностных слоев в ячейке. Максимальная величина
эффективной диэлектрической проницаемости слоя МЖ «магнетит в трансформаторном
масле», соответствующая Е=(320-360) кВ/м, уменьшается на порядок по отношению к
ячейке «магнетит в керосине» и в приэлектродных слоях наблюдаются лабиринтные
структуры. При смене заданной полярности электрического поля лабиринтная
структура частично разрушается на катоде, преобразуясь в эллипсоидальную
текстуру на аноде. С дальнейшим ростом электрического поля устойчивое
концентрационное распределение твердой фазы нарушается, возникает картина
«кипения» МЖ, что приводит к уменьшению диэлектрических проницаемостей
приэлектродных слоев и, в результате - к снижению ее эффективного значения для
всего слоя МЖ.
Предполагаем, что принципиальную роль в возникновении приэлектродных структур играет неоднородный биполярный заряд, формирующийся
в процессе прохождения тока через слой МЖ. Наблюдения за процессом структурирования
свидетельствуют о пространственной динамике электрического поля в МЖ, несущей
избыточный заряд.