Ю.И. Диканский, О.А. Нечаева

ABOUT CHANGE OF PHASE IN MAGNETIC LIQUID IN ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS

J.I. Dikansky, O.A. Nechaeva

Phase separation in a thin layer of magnetic liquid in electric field has been investigated. The possibility of this process regulation with the help of additional effect of magnetic field or by temperature changing is shown.

Исследовано фазовое расслоение в тонном слое магнитной жидкости под воздействием электрического поля. Показана возможность регулирования этим процессом с помощью дополнительного воздействия магнитным полем или изменения температуры.

Исследованию структуры и фазовых переходов в магнитных жидкостях - мелкодисперсных коллоидах ферромагнетиков посвящено достаточно большое количество работ [1-4]. Как правило, основополагающим в механизме таких переходов принимается диполь-дипольное взаимодействие дисперсных частиц, эффективностью которого можно управлять с помощью магнитного поля. Вместе с тем, в [5,6] обнаружены структурные превращения и развитие электрогидродинамической неустойчивости под воздействием электрического поля в магнитной жидкости с уже имеющимися микрокапельными агрегатами, а в работах [7,8] 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 на основании которых сделан вывод о возможности фазовых переходов в магнитной жидкости при совместном действии электрического и магнитного полей.

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 (типа ФЭС-25) с диафрагмой или миниатюрного фоторезистора в зависимости от конкретных целей эксперимента.

Рис. 1. Зависимость относительной интенсивности рассеянного от угла рассеяния света.

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. Собранная таким образом кювета прижималась с помощью механического зажима к термоста-тирующей системе, через которую прокачивалась вода с заданной температурой с помощью жидкостного термостата. Для создания электрического поля на пластины подавалось напряжение от стабилизированного источника постоянного тока, в качестве намагничивающей системы использовались катушки Гельмгольца, создающие однородное поле в объеме, несколько раз превышающем габариты кюветы. 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. Объемная концентрация дисперсной фазы составляла 11,7 %, динамическая вязкость 5*10^-3 Па.с. Действие электрического поля, направленного вдоль лазерного луча перпендикулярно плоскости слоя магнитной жидкости, приводит при некотором пороговом значении напряжения Up интенсивному росту светорассеяния, обусловленного возникновением при этих условиях структурных 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. На рис.1 для этого случая приведена зависимость относительной величины интенсивности рассеянного света от угла рассеяния (I* - интенсивность не рассеянного лазерного луча). Следует отметить, что величина Up зависит от «тренировки» жидкости в электрическом поле - его значение полученное сразу же после заправки кюветы составляет около 2,1 В, при повторных измерениях оно становится равным 2,6 В (при комнатной температуре) и уже не изменяется при последующих исследованиях. При достижении напряженности электрического поля выше 3,5 В 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.

Рис. 2. Зависимость относительной величины рассеянного света от разности потенциалов на электродах ячейки при различных значениях напряженности магнитного поля: 1 - 0, 2 - 1,7 кА/м, 3 -3,5 кА/м, 4 - 5,2 А/м.

Рис. 3. Фазовая диаграмма расслоения магнитной жидкости при различных значениях напряженности магнитного поля Н: 1 - 0, 2 - 1,7 кА/м, 3 - 3,5 кА/м.

Повышение температуры от 20 до 70°С приводит к снижению порогового значения напряжения Up 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.

При дополнительном воздействии магнитного поля происходит уменьшение Up, причем оно наиболее существенно при совпадении направлений напряженностей электрического и магнитного полей (рис.2). Дифракционная картина при наличии сонаправленных магнитного и электрического полей во всех случаях представляет собой светлое кольцо. Отметим, что при действии только одного магнитного поля (при отсутствии электрического напряжения или при его значении меньше Up) дифракционного светорассеяния обнаружено не было во всем исследованном интервале значений напряженности магнитного поля.

Рис. 4. Фазовая диаграмма расслоения магнитной жидкости в электрическом поле.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволяют предположить, что действие электрического поля приводит к появлению в тонком слое магнитной жидкости новой, более концентрированной фазы. Ее образование может быть связано в первую очередь с созданием зон повышенной концентрации дисперсных частиц за счет их электрофоретической миграции к электродам, а также с непосредственным влиянием электрического поля на устойчивость коллоидных систем к агрегированию. 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. Первоначальное повышение температуры способствует эффективности миграционных процессов, дальнейший ее рост препятствует появлению новой фазы. По-видимому, этим и объясняется характер полученной фазовой диаграммы в координатах U - Т (рис.3). Действие же магнитного поля во всех случаях приводит к образованию новой фазы при более низких значениях напряженности электрического поля, что хорошо видно из фазовой диаграммы в координатах U - Н, построенной на основании результатов проведенных экспериментальных исследований (рис. 4).

ЛИТЕРАТУРА

1. Чеканов В.В. О взаимодействии частиц в магнитных коллоидах // Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Саласприлс, 1980. - С. 69-76.

2. Цеберс А.О. Термодинамическая устойчивость магнитных жидкостей //Магнитная гидродинамика. - 1982. -№2. - С.42-48.

3. Диканский Ю.И., Балабанов К.А., Полихро-ниди Н.Г. Экспериментальное исследование структурных превращений в магнитных жидкостях // Магнитная гидродинамика. - 1989. — №1. -С.117-118.

4. Багаев В.Н., Буевич Ю.А., Иванов А. О. К теории магнитных свойств ферроколоидов // Магнитная гидродинамика. - 1989. - №1. - С. 58-62.

5. Dikansky Yu.L, Shatsky V.P. Elektrohydro-dinamics of magnetic emulsions and diffraktion light skattering // Fifteen international conference on magnetic fluids. -Riga, 1988.-P. 99-100.

6. Диканский Ю.И., Цеберс А.О., Шацкий В.П. Свойства магнитных эмульсий в электрическом

и магнитном полях //Магнитная гидродинамика. -1990.-Ж.-С.32-38.

7. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Морозова Т.Ф. Электрокинетические свойства тонкого слоя магнитной жидкости // Материалы 8-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. - Плес, 1998. - С. 40-42.

8. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Морозова Т.Ф. Кинетика электрических и оптических свойств тонкого слоя магнитной жидкости // Сб. научных трудов. Серия физико-химическая. - Ставрополь: Сев.кав.ГТУ, 1999. - С. 36-40.

* * *

Диканский Юрий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры обшей физики СГУ. Область научных интересов - физика магнитных жидкостей. Опубликовано более 90 научных работ, неоднократный участник Международных и Всесоюзных конференций по физике магнитных жидкостей и физике магнитных явлений.

Нечаева Оксана Александровна, аспирантка кафедры общей физики СГУ. Область научных интересов - электрические свойства магнитных жидкостей.