Исследование свойств магнитных жидкостей методом светорассеяния (стр. 1 из 14)
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ СВЕТОРАССЕЯНИЯ
Введение
Во второй половине прошлого века были синтезированы коллоидные растворы магнитных материалов, которые впоследствии получили название «магнитные жидкости (Magneticfluids)» [29]. Магнитные жидкости (МЖ) – ультрадисперсные (со средним диаметром
нм) устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. В качестве дисперсной фазы используют малые частицы таких металлов как железо, кобальт, никель, гадолиний, их разнообразные ферриты, ферромагнитные окислы. Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного диполь-дипольного и ван-дер-ваальсовского взаимодействий и последующего укрупнения частиц, в качестве стабилизаторов применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ) типа олеиновой кислоты. Адсорбируясь на поверхности микрокристаллических дисперсных частиц ПАВ образуют защитную оболочку, представляющую из себя своеобразный структурно-механический барьер [10]. Вследствие малого размера частиц МЖ она не расслаивается и сохраняют свою однородность практически неограниченное время.Исследование таких жидкостей имеют большое теоретическое значение, так как связаны с решением фундаментальных физико-химических проблем, а также практическое значение, так как способствуют их применению в машиностроении, электронике, медицине, космической технике и т.д. [2], [6], [7], [9], [19]. Разработка устройств с применением МЖ основанные на взаимодействии их с внешним магнитным полем, воздействующим на внутреннюю структуру коллоидной системы. Поэтому наряду с разработкой новых применений МЖ ведутся теоретические и экспериментальные исследования их физических и физико-химических характеристик, которые, в свою очередь, определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием во внешних полях. Научные достижения в этой области стали возможны за счет комплексного подхода с применением классических методов статистической термодинамики, молекулярной оптики, физики магнитных явлений, физической химии, механики сплошных сред.
Существенный вклад в экспериментальное изучение физических свойств МЖ вносят оптические методы (двойное лучепреломление, дихроизм, рассеяние света и т.д.)
Весьма актуальными являются задачи исследования оптическими методами межчастичных взаимодействий, ориентационных эффектов, развивающихся в МЖ под действием электрического и магнитного полей.
По данным электронной микроскопии, размер однодоменных частиц магнетита в магнитной жидкости ~ 100
. Эксперименты по двойному лучепреломлению в магнитной жидкости в магнитных и электрических полях дают значительно большие размеры частиц. Задача данной экспериментальной работы по светорассеянию состоит определении размеров наблюдаемых частиц и построении простейшей модели образования кластеров частиц, состоящих из 100 частиц. Предварительные исследования кинетики спада двулучепреломления (ДЛП) в магнитной жидкости на основе Fe3O4 показывают, что кластеры состоят из 3 – 15 частиц. Модельно такие кластеры пока представляются эллипсоидами вращения.ГЛАВА 1. МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ КАК КОЛЛОИДНАЯ СИСТЕМА МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ И ЕЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Физические свойства МЖ описаны в прекрасном обзоре Шлиомиса [32], следуя этому обзору, напомним статистические свойства магнитных коллоидов.
Существование магнитных коллоидов предполагает, что взвешенные в дисперсной среде твердые частицы дисперсной фазы не оседают под действием силы тяжести. Это возможно в том, случае, если скорость оседания частиц, определяемая формулой Стокса, не будет превышать скорость теплового движения этих частиц в несущей жидкости.
В поле тяжести твердая частица, взвешенная в жидкой несущей среде, испытывает действие силы
, которая уравновешивается в стационарных условиях силой вязкого трения Стокса: 
. Отсюда 
,т.е. сферические частицы диаметра d образуют седиментационный поток
, равный числу частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку, расположенную перпендикулярно к линии действия силы тяжести. В результате такого движения частиц возникает градиент концентрации, приводящий в свою очередь к возникновению диффузионного потока частиц, описываемого законом Фика: 
, и направленного противоположно седиментационному потоку.В равновесном состоянии эти потоки должны уравновешивать друг друга:
, откуда следует 
С учетом того, что для сферических частиц коэффициент диффузии равен
, получим: 
Из этих формул можно сделать оценочные прикидки. В качестве оценочных параметров примем: ρ1=5200 кг/м3; ρ2=770 кг/м3; η=1,5·10-3 кг/м∙с; d=10нм; Т=300 К; k=1,38·10-3 Дж/К.
Тогда средняя скорость оседания:
.Тепловая скорость:
.Характеристическая высота, на которой концентрация частиц уменьшается в е раз:
.Из приведенных оценок видно, что диффузионные процессы явно преобладают над седиментационными. Например, под действием силы тяжести частица d=10 нм смещается на 1 мм примерно за 70 дней, а такое же диффузионное смещение произойдет за 2,5 часа.
Броуновское движение частиц в магнитной жидкости
Для оптических исследований в макроскопических объемах магнитной жидкости ее разбавляют до очень низких концентраций порядка 5·10-3 объемных процентов (φ=5·10-5 объемной концентрации).
Объемная концентрация частиц твердой фазы в коллоидных растворах рассчитывается из следующих соображений. Объем магнитной жидкости VМЖ складывается из объема жидкой основы VО, объема твердой фазы VТи объема поверхностно-активного вещества, покрывающие частицы, VПАВ:
Соответственно масса магнитной жидкости складывается из массы твердой и жидкой фаз:
,где ρМЖ – плотность магнитной жидкости; ρО – плотность жидкой основы; ρТ– плотность магнитного материала; ρПАВ – плотность поверхностно-активного вещества.
Тогда
Обозначим:
- объемная концентрация жидкой основы; 
- объемная концентрация твердой фазы 
Плотность жидких компонент часто приблизительно равны, поэтому считая ρПАВ≈ρО, получим
По методике химического осаждения, предложенной Е.Е. Бибиком [3], удается получить однородную магнитную жидкость с плотностью ρМЖ=1320 кг/м3 и намагниченностью насыщения М¥=46 кА/м. Объемная концентрация частиц магнетита в таких жидкостях равна j=0,124. Число частиц в единице объема для такой жидкости составит N=2,4×1023 м-3 и, следовательно, среднее расстояние между частицами со средним диаметром d=10нм будет порядка 16 нм.
Для проведения оптических экспериментов МЖ разбавляют керосином с добавлением ПАВ до объемных концентраций магнетита ρПАВ=5×10-5. При таких концентрациях МЖ число частиц в единице объема составляет n=1020 м-3 и, соответственно, среднее расстояние между частицами возрастает до 200 нм.
В таких разбавленных малоконцентрированных коллоидных системах устойчивость обеспечивается за счет броуновского движения частиц магнетита. В соответствии с уравнением Эйнштейна средний квадрат смещения частицы за время t равен:
,где D – коэффициент диффузии определяется как отношение тепловой энергии kБT к коэффициенту сопротивления при движении в вязкой среде. Учитывая, что частицы магнетита покрыты слоем олеиновой кислоты, используемой в качестве ПАВ, и средняя толщина этого слоя по оценкам работы [38] составляет d=11,2Å, можно записать значение коэффициента диффузии как: