Ферромагнитные жидкости (стр. 18 из 18)

Рисунок 40. Зависимость частоты пульсаций дифракционного кольца от напряженности постоянного магнитного поля (подробные пояснения в тексте).

2.4 Магнитные жидкости с квазитвердыми структурными образованиями

Большинство опубликованных работ в области магнитных жидкостей посвящены исследованию физических свойств "классических" магнитных жидкостей с магнетитовыми частицами на основе керосина, в которых при определенных условиях могут образовываться микрокапельные агрегаты. Однако, на практике, как уже указывалось ранее, применяются в основном МЖ на вязких основах - кремнийорганических и минеральных маслах, триэтаноламине и т.п., дисперсной средой в которых является магнетит, железо и их композиции. Такие магнитные жидкости по своей структуре и более высокой вязкости существенно отличаются от жидкостей на основе керосина. Выбор дисперсионной среды обусловлен малой степенью ее испаряемости, а также стремлением предотвратить вытекание МЖ из рабочих зазоров установок и устройств. Однако, такие несущие среды уменьшают возможность хорошей стабилизации МЖ. По-видимому, в связи с этим, такие магнитные жидкости получаются структурированными уже в процессе технологического приготовления, структурные образования в них бесформенны, часто по внешнему виду напоминают хлопья или квазитвердые слоистые образования. На рис. 41а приведена фотография типичной структуры такой МЖ (композиция железа и магнетита в кремнийорганике при Т — 293 К, увеличение 700).

Рисунок 41. Структурные образования в МЖ повышенной вязкости(дисперсия магнитета в кремнийорганике); а до включения поля, б - при Н = 40 кА/м, в -через 20 минут после выключения поля.

Изменение температуры приводит к изменению формы и конфигурации отдельных агрегатов и структуры в целом. Реакция на внешнее магнитное поле проявляется в виде преимущественной ориентации структурных образований по направлению поля (рис. 416). При этом, изменение направления поля на обратное не приводит к переориентации агрегатов, что указывает на отсутствие у агрегатов собственного магнитного момента, обусловленного упорядочением магнитных моментов дисперсных частиц. Следует отметить, что квазитвердые структурные образования иногда могут реализовываться также и в относительно стабильных жидкостях на основе керосина, однако в этом случае, как будет показано ниже, они могут иметь принципиально иной характер, чем образования в МЖ повышенной вязкости.

1. Релаксация процессов структурообразования в магнитных жидкостях повышенной вязкости.

Формирование структуры в магнитных жидкостях повышенной вязкости под действием магнитного поля происходит в течение нескольких секунд после его включения (например, в поле с напряженностью 40 кА/м это время составляет 5-10 секунд). Структура, созданная полем также сохраняется и после его выключения в течение 5-20 минут (рис.416). Такое поведение структуры в той или иной мере присуще всем исследованным образцам, применяемым или разрабатываемым для магнитожидкостных уплотнений различного типа.

Информация о структуре магнитных жидкостей и кинетике структурных изменений может быть получена с помощью изучения процессов светорассеяния в тонких слоях этих сред. С этой целью было исследовано рассеяние лазерного луча при прохождении им тонкого слоя (30 - 50 мкм) МЖ с помощью экспериментальной установки, схема которой приведена на рис.36 и подробно описана в 2.3. Как и следовало ожидать, воздействие магнитного поля изменяет изотропный характер светорассеяния на анизотропный, при этом на экране, после прохождения луча через образец, после включения магнитного поля, размытое световое пятно меняется на широкую полосу. Исследование интенсивности анизотропного светорассеяния выявило его зависимость от величины напряженности магнитного поля и времени его воздействия, характер которой по существу определяется процессами формирования структуры. На рис. 42 приведена зависимость относительной величины светорассеяния от времени воздействия магнитного поля напряженностью H = 60 кА/м для образца на основе триэтаноламина (кривая 1) .

Рисунок 42 Зависимость относительной величины интенсивности анизотропного светорассеяния(10- начальный фон) от времени в магнитном поле с напряженностью Н = 60 кА/м (1) и после выключения поля (2) для МЖ типа магнетит в триэтаноламине.

Аналогичные кривые получены и для других МЖ этого типа. Как можно заметить из рисунка, формирование структуры МЖ этом поле заканчивается через 3-5 минут. Анизотропное светорассеяние сохраняется (в соответствии с сохранением анизотропной структуры) в течение некоторого времени и после выключения поля. На рис.42 (кривая 2) приведена зависимость интенсивности остаточного светорассеяния от времени после выключения поля.

При нагревании образца МЖ, светорассеяние теряет анизотропный характер, однако, интенсивность его увеличивается, достигая насыщения в области температур 320є - 350є К (рис.43).

Рис.43. Температурная зависимость относительной величины светорассеяния для магнитной жидкости (магнетит в триэталонамине) с остаточной структурой после выключения магнитного поля.

Рост интенсивности светорассеяния свидетельствует об увеличении числа мелких агрегатов и частиц с изотропной формой за счет дробления при увеличении температуры первоначально анизотропной структуры жидкости.

2. Образование спонтанно намагниченных агрегатов в магнитных жидкостях.

При длительном хранении достаточно устойчивых к расслоению магнитных жидкостей на основе керосина в них, при определенных условиях, может реализоваться хорошо развитая система квазитвердых структурных образований, которые даже при отсутствии магнитного поля обладают отличным от нуля магнитным моментом. Как правило, такие агрегаты обладают хорошо выраженной анизотропией формы, достаточно быстро реагируют на включение внешнего магнитного поля, а при его отсутствии ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В некоторых случаях такие агрегаты имеют нитевидную форму, при этом минимум магнитной энергии при отсутствии магнитного поля осуществляется за счет разветвления и переплетения агрегатов. На рис. 4.25 приведена фотография таких структурных образований в магнитном поле (а) и при его отсутствии (б).

Рис.4.25. Фотография структурных образований, обладающих собственным магнитным моментом; а - в магнитном поле, б при его отсутствии.

Для описания имеющихся экспериментальных результатов в области физических свойств магнитных жидкостей в теоретических работах [17, 18] были выведены уравнения, описывающие движение дисперсной намагничивающейся среды, при использовании методов термодинамики необратимых процессов.

В некоторых работах [19 – 22] магнитная жидкость рассматривалась как однородная жидкость с внутренними моментами вращения и предполагалась жесткая связь магнитного момента частицы и ее твердой матрицы. В этом случае в гидродинамические уравнения входят τ_D – броуновское время ориентационной релаксации частицы и τ_S – время затухания собственного вращения частицы, которые зависят от размера частиц с сольватной оболочкой. Экспериментальное определение времени ориентационной релаксации осуществлялось в работах [23 – 25].

Таким образом, до некоторых пор считалось, что магнитная жидкость ведет себя в магнитном поле сплошная однородная суперпарамагнитная среда, в которой элементарным носителем магнетизма являются дисперсные частицы. Однако в дальнейшем, когда стало возможным синтезировать более концентрированные магнитные жидкости, стали появляться работы, указывающие на ограниченность применения модели однородной среды, которая подчиняется классической теории парамагнетизма.

Литература

1.Де Грот С., и Мазур П. Неравновесная термодинамика.-М.: Мир,1964.-456с.

2. Бараш Ю.С. О макроскопическом описании действующего поля в некоторых диэлектриках.// ЖЭТФ.-Т.79, вып.6.-С.2271-2281.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.-М.: Наука.-1982.-623 с.

4.Стреттон Д. Теория электромагнетизма.- М.-Л.: Гостехиздат, 1948.-312 с.

5. Пановский В., Филипс М. Классическая электродинамика.- М.: Гостехиздат, 1957.

6. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. Гидродинамика дисперсных систем, взаимодействующих с электромагнитным полем.// Механика жидкости и газа.- №3.-1977.- С.62-70.

7. Диканский Ю.И. Экспериментальное исследование эффективных полей в магнитной жидкости.// Магнитнаягидродинамика.- 1982.- №3. – С.33-36.

8. Elmore W. C. Ferromagnetic colloid for studying magnetic structure // Phys. Rev. – 1938. – Vol. 54. – N 4. – P. 309.

9. Elmore W. C. The magnetization of ferromagnetic colloid // Phys. Rev. – 1938. – Vol. 54. – N 12. – P. 1092–1095.

10. Бибик Е.Е., Бузунов О.Е. Достижения в области получения и применения магнитных жидкостей. – М: ЦНИИ, Электроника, 1979. – 60 с.

11. Диканский Ю.И. К вопросу о магнитогранулометрии в магнитных жидкостях // Магнитная гидродинамика.– 1984.– № 1.– С.123–126.

12. ВонсовскийС.В. Магнетизм. – М.: Наука, 1971. – 1032 с.

13. Neel L. Influence des fluctuations thermiques sur l'aimantation de grains ferromagnetiques tres fins // Academic des sciences. Comptes rendus. – 1949. – Vol. 228. – N 8.– P. 1927–1937.

14. Bean C.P. Hysteresis loops of mixtures of ferromagnetic micropowdes // Journal of Applied Physics. – 1955.– Vol.26. – N 11. – P. 1381–1383.

15. Brown W.F., Jr. Thermal fluctuations of a single-domain particle // Phys. Rev. – 1963. – V. 130. – N. 5. – P. 1677 – 1686.

16. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // УФН. – 1974. – Т. 112, вып. 3. – С. 427 – 458.

17. Bean C.P., Jacobs I.S. Magnetic granulometry and superparamagnetism // Journal of Applied Physics. – Vol. 27. – N. 12. – P. 1448 – 1452.

18. Shliomis M.I., Raikher Yu.L. Experimental investigations of magnetic fluids // IEEE Transactions on Magnetic. – 1980. – Vol. MAG-16. – N. 2. – P. 237 – 250.

19. Kaiser R., Miskolczy G. Magnetic properties of stable dispersions of subdomain magnetic particles // Journal of Applied Physics. – 1970. – Vol. 1. – N. 3. – P. 1064 – 1072.

20. Бибик Е.Е., Матыгулин Б.Я., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. Магнитостатические свойства коллоидов магнетита // Магнитная гидродинамика. – 1973. – № 1. – С. 68 – 72.

21. Мозговой Е.Н., Блум Э.Я. Магнитные свойства мелкодисперсных ферросуспензий, синтезированных электроконденсационным способом // Магнитная гидродинамика. – 1971. – № 4. – С. 18 – 24.

22. Марценюк М.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. К кинетике намагничивания суспензий ферромагнитных частиц // ЖЭТФ. – 1973. – Т. 65, вып. 1(7). – С. 834 – 840.

23. Марценюк М.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. К кинетике намагничивания суспензий однодоменных частиц // Труды Международной конференции по магнетизму МКМ-73 (22 – 28 августа 1973г.). – М.: Наука, 1974. – С.540–544.