Структурные превращения в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях

 

Ю.И. Диканский, О.А. Нечаева

СГУ, г. Ставрополь.

 

Исследованию структуры и фазовых переходов в магнитных жидкостях - мелкодисперсных коллоидах ферромагнетиков посвящено достаточно большое количество работ. Как правило, основополагающим в механизме таких переходов принимается диполь-дипольное взаимодействие дисперсных частиц, эффективностью которого можно управлять с помощью магнитного поля. Вместе с тем, ранее нами были обнаружены структурные превращения и развитие электрогидродинамической неустойчивости под воздействием электрического поля в магнитной жидкости с уже имеющимися микрокапельными агрегатами, а в работах В.М. Кожевникова с соавторами сообщается также и о формировании новых структурных образований в тонких слоях первоначально "однородных" магнитных жидкостей в результате действия электрического поля. В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований структурных превращений в магнитной жидкости при совместном действии электрического и магнитного полей в широком температурном интервале.

Для изучения возникновения новой, более концентрированной фазы, а также трансформации ее структуры под воздействием различных факторов использовалось явление дифракционного рассеяния луча гелий-неонового лазера, направленного поперечно кювете с тонким слоем магнитной жидкости. Измерение интенсивности рассеянного света осуществлялось с помощью фотоэлемента с диафрагмой или миниатюрного фоторезистора в зависимости от конкретных целей эксперимента. Кювета состояла из двух прямоугольных стеклянных пластин с прозрачным токопроводящим покрытием. Между стеклами помещена фторопластовая пленка с круглым отверстием посредине, которое заполнялось магнитной жидкостью. Толщина слоя магнитной жидкости составляла 30-40 мкм и регулировалась подбором пленок разной толщины. Для создания электрического поля на пластины подавалось напряжение от стабилизированного источника постоянного тока, в качестве намагничивающей системы использовались катушки Гельмгольца. Эта же кювета использовалась и для визуального наблюдения процессов происходящих в МЖ с помощью оптического микроскопа. В качестве объекта исследования использовалась магнитная жидкость на основе керосина с магнетитовыми частицами и олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Действие электрического поля, направленного вдоль лазерного луча перпендикулярно плоскости слоя магнитной жидкости, приводит при некотором пороговом значении напряженности поля Ер интенсивному росту светорассеяния, обусловленного возникновением при этих условиях агрегативных образований. При этом, светлое пятно, наблюдаемое в месте падения луча лазера на экране первоначально несколько "расплывается", а затем появляется дифракционная картина, характерная для получаемой с помощью линейной дифракционной решетки. При достижении напряженности электрического поля выше 115 кВ/м рассеяние света становится изотропным – вместо наблюдаемой ранее дифракционной картины на экране появляется однородное светлое пятно ("гало"). Наблюдения в оптический микроскоп показали, что при этом значении напряженности электрического поля возникают электрогидродинамические течения, разрушающие сформировавшуюся ранее структурную решетку. Повышение температуры от 20 до 70 С приводит к снижению порогового значения напряженности Ер электрического поля, соответствующее началу интенсивного роста светорассеяния, при дальнейшем повышении температуры величина этого поля начинает увеличиваться. Кроме того, при повышении температуры изменяется и характер светорассеяния - уже при температурах свыше 40 С дифракционная картина, наблюдаемая после достижения критического значения электрического поля представляет собой одно или несколько дифракционных колец. Наблюдения в микроскоп показали, что в этом случае сильноконцентрированная фаза принимает форму лабиринтной структурной решетки. При дополнительном воздействии магнитного поля происходит уменьшение Ер, причем оно наиболее существенно при совпадении направлений напряженностей электрического и магнитного полей. Дифракционная картина при наличии сонаправленных магнитного и электрического полей во всех случаях представляет собой светлое кольцо. Ранее, в работах В.В.Чеканова с соавторами сообщалось, что отраженный свет от тонкого слоя магнитной жидкости, заключенного между прозрачными электродами оказывается окрашенным, а действие электрического поля приводит к изменению цвета отраженного света. Объяснение этого эффекта авторами связывается с изменением показателей поглощения и преломления на границе с электродами в результате изменения концентрации магнетита. Вместе с тем, можно предположить, что это явление обусловлено дифракционными явлениями на сформировавшейся в этом случае структурной решетке. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволяют предположить, что действие электрического поля приводит к появлению в тонком слое магнитной жидкости новой, более концентрированной фазы. При этом, зародышами новой фазы по-видимому являются микрокапли, которые сразу после достижения ими устойчивости объединяются в структурную решетку, которая в дальнейшем может трансформироваться под действием электрического или магнитного полей. Действие магнитного поля к образованию новой фазы при более низких значениях напряженности электрического поля, что хорошо видно из фазовой диаграммы в координатах Е-Н построенной на основании результатов проведенных экспериментальных исследований.