Электрофизика поверхностных явлений в коллоиде выкодисперсного магнетита

 

В. М. Кожевников, Ю. А. Ларионов, Д. С. Мельченков

СевКавГТУ, Ставрополь

 

Из экспериментов известно, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) магнитной жидкости может зависеть не только от объемных свойств жидкости, но и от материала электродов и величины межэлектродного промежутка. Кроме того, в сильных электрических полях ВАХ слабопроводящей жидкости становиться нелинейной, что связано с объемной диссоциацией примесных молекул, с инжекцией ионов с поверхности электродов или с возникновением электроконвективных течений. Перечисленные факторы затрудняют анализ ВАХ и определение с ее помощью объемных свойств магнитной жидкости. В настоящей работе использован метод исследования объемных свойств высокодисперсного магнетита в углеводородной среде, основанный на анализе соотношения амплитуд и фаз тока и напряжения в цепи, содержащей плоскопараллельную ячейку с исследуемой жидкостью. Этот метод позволяет при определенных условиях избежать некоторых из отмеченных выше трудностей. Целью работы является определение концентрации и подвижности заряженных частиц в магнитной жидкости, исследование зависимости этих параметров от поляризующего электрического и магнитного полей.

В работе исследовалась магнитная жидкость: коллоидный раствор магнетита (Fe₃O₄) в углеводородной среде (керосине) с олеиновой кислотой в качестве поверхностно-активного вещества, при объемной концентрации дисперсной фазы 6... 10% в диапазоне частот от 0,5 ...220 Гц. Использована модель, где магнитная жидкость представляется многокомпонентной смесью, состоящей из заряженных частиц с различной подвижностью и молекул растворителя неэлектролитной природы. Учитывая то, что у электрода формируется  слой  магнитной  жидкости  с  пониженной  проводимостью, электроды считаются идеально поляризуемыми. Сравнение измеряемых амплитуд и фаз напряжения и тока в цепи, содержащей данную ячейку, позволило получить данные о свойствах находящейся между электродами жидкости, используя соотношения, связывающие электрические параметры ячейки и параметры среды: e - диэлектрическую проницаемость, n₀ -равновесную концентрацию заряженных частиц, b₀ - коэффициент подвижности носителей заряда.

Для описания взаимодействия переменного электрического поля с жидкостью при перечисленных предположениях использовано решение системы уравнений:

Здесь j_i,E - нормальные к электродам составляющие плотностей потоков заряженных частиц и напряженности электрического поля, n_0i – равновесная концентрация заряженных частиц, D_i,b_i –  коэффициенты диффузии и подвижности носителей заряда. Коэффициенты диффузии связаны   с   коэффициентами   подвижности    соотношением    D_i = b_ikTe.

Коэффициенты   рекомбинации   k_r   вычисляются  по   формуле  Ланжевена

Для интерпретации результатов измерения использована комплексная

величина

- импеданс ячейки, где удельная проводимость и C_i - электроемкость ячейки. Использованы простые соотношения, аппроксимирующие зависимость Z(w) с достаточной точностью в различных диапазонах частот и при различных соотношениях радиуса экранирования жидкости 5 и межэлектродного зазора L. Так при исследовании в диапазоне низких   частот   (w   =   0.5... 30   рад/с)   при   выполнении   соотношения

параметрам ячейки сделана оценка средних значений n₀=10²³ 1/м³; b₀ =10^-10 м /(Вс). Отмечено, что с ростом частоты воздействующего напряжения эффективная электроемкость ячейки уменьшается, что соответствует уменьшению числа носителей заряда участвующих в формировании объемного заряда, средняя подвижность их возрастает.

На основании сравнительного анализа экспериментальных и теоретических зависимостей электрических параметров ячейки от частоты сделаны выводы.

1.     Проводимость    ячейки    в    основном    обусловлена    быстрыми носителями    заряда,    равновесная    концентрация    которых    ~10^-20    1/м³, подвижность    ~10^-8м²/(Вс).    Число    быстрых    носителей   заряда   и    их подвижность при действии магнитного поля практически не меняется.

2.   При  воздействии  поляризующего  электрического  и  магнитного полей число медленных носителей заряда растет, а средняя подвижность их уменьшается,   что  увеличивает  электроемкость  ячейки  на  ультранизкой частоте.

3.  У электрода формируется область с повышенным сопротивлением и напряженностью электрического поля - домен. Здесь скорость носителей заряда  меньше,   чем   на  других  участках,   и,   следовательно,   плотность объемного заряда увеличена. В домене сосредоточено более сильное поле, а в остальной части  слоя жидкости поле  более  слабое и средняя  скорость носителей выше. Поэтому с одной стороны домена носители быстро уходят к противоположному электроду, и возникает область, обедненная носителями данного знака. А с другой стороны к нему быстрее приходят новые носители. Этот   процесс    обусловливает   перемещение   домена,    вследствие   чего появляются колебания тока в цепи и концентрационные волны дисперсной фазы у поверхности электрода.