Исследование магнитной жидкости методом рассеяния света

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ РАССЕЯНИЯ СВЕТА

Впервые в Ставропольском государственном университете оптические свойства магнитных жидкостей (МЖ) методом рассеяния света предложил изучать проф. Ю. Н. Скибин. Им были проведены спектральные измерения интенсивности света, рассеянного под углом 90 к направлению распространения, и сделан вывод о том, что в пределах ошибки эксперимента слабоконцентрированные растворы магнетита в керосине рассеивают свет так, как это следует из теории Рэлея, т. е. интенсивность света в видимом диапазоне возрастает пропорционально. Это свидетельствует о достаточно малых размерах рассеивающих частиц по сравнению с длиной волны рассеиваемого света. В то же время им был сделан оценочный вывод о том, что увеличение интенсивности светорассеяния по отношению к теоретически рассчитанному согласно теории Ми, вызвано агрегатами, состоящими примерно из 14 частиц. Теоретический расчет электро-магнитооптических эффектов (двойное лучепреломление, дихроизм и др.) использует модель отдельных однодоменных частиц, что затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов, полученных в последнее время [2,3]. Для систематического изучения физических свойств МЖ необходима разработка электро-магнитооптических методов исследования магнитных коллоидных систем. Разработка этих методов связана с решением целого ряда проблем, имеющих как чисто теоретический, так и прикладной характер. Для исследования структуры и свойств различных коллоидных систем применяются оптические методы, основанные на эффектах рассеяния света, двойного лучепреломления и дихроизма. Изучение коллоидных систем по рассеянию ими света при воздействии внешнего электрического поля даёт возможность определить электрические характеристики частиц дисперсной фазы, что в случае магнитных коллоидных систем имеет принципиальное значение в вопросах агрегативной устойчивости МЖ. Существенную практическую важность имеет также определение функции распределения частиц МЖ по размерам, знание которой является определяющим в технологических процессах изготовления МЖ.

Нами произведено исследование рассеяния света в магнитных коллоидах феррита кобальта и магнетита в керосине с объемной концентрацией твердой фазы 10^-4 при воздействии переменный и импульсных электрического и магнитного полей. Источником света являлся He-Ne лазер с длиной волны излучения =632,8 нм. Свет проходил через цилиндрическую кювету с образцом, которая была помещена внутрь катушек Гельмгольца, создающих магнитное поле напряженностью до 8 кА/м. Электрическое поле напряженностью до 3 МВ/м создавалось с помощью двух плоскопараллельных алюминиевых электродов, помещенных внутрь кюветы с образцом. Расстояние между электродами 2 мм. Регистрация рассеянного света производилась при помощи фотоэлектронного умножителя ФЭУ-27 при различных углах наблюдения. Сигнал с ФЭУ подавался на вход осциллографа. Плоскость поляризации падающего света была установлена перпендикулярно плоскости наблюдения. Техническая часть установки для создания импульсных электрического и магнитного полей описана нами в.

Исследования индикатрисы рассеяния света без воздействия поля показало, что она имеет несимметричный характер с преобладанием рассеяния в сторону малых углов рассеяния. Это говорит о нерэлеевском характере рассеяния в наших образцах.

Изменение светорассеяния при воздействии внешнего поля определялось по величине, где I — интенсивность рассеянного света при воздействии поля, I₀ — интенсивность рассеянного света без поля.

При воздействии на образец переменного электрического или магнитного поля с частотой, рассеянный свет изменяется с частотой 2 и некоторым сдвигом по фазе, зависящим от частоты. На рис. 1 изображена фотография экрана двухлучевого осциллографа; нижний луч показывает изменение электрического поля, верхний луч — сигнал пропорциональный интенсивности рассеянного под углом =90 света (частота изменения поля 120 Гц, образец CoFe₂O₄ в керосине). Нам не удалось надежно обнаружить образцы, в которых одновременно удалось бы наблюдать изменение рассеяния и в электрическом, и в магнитном полях. В МЖ типа магнетит в керосине наблюдалось изменение светорассеяния при воздействии магнитного поля, при воздействии электрического поля в пределах ошибок эксперимента изменения рассеяния не было обнаружено. В МЖ типа феррит кобальта в керосине надежно удавалось наблюдать изменения рассеяния только в электрическом поле, но эффект магнитного двойного лучепреломления в этом коллоиде регистрировался.

На рис. 2 и рис. 3 изображены кривые уменьшения интенсивности рассеянного света со временем после выключения электрического (рис.2) и магнитного (рис. 3) полей. Угол рассеяния в обоих случаях 90. По экспериментальным кривым спада рассчитаны коэффициенты вращательной броуновской диффузии для коллоидных частиц с помощью соотношения:

где D — коэффициент вращательной диффузии.

Коэффициент D связан с гидродинамическим диаметром сферической частицы соотношением:

где kT — энергия теплового движения, — вязкость.

Вычисления дали для образца Fe₃O₄ В керосине d70 нм, а для образца CoFe₂O₄ в керосине d180 нм. Значения гидродинамических диаметров частиц находятся в хорошем согласии с результатами, полученными по кривым уменьшения эффекта двойного лучепреломления в этих же жидкостях.

Полученные значения размеров коллоидных частиц позволяют сделать вывод о том, что рассеяние света во внешних полях определяется преимущественно агрегатами, содержащими порядка 10 — 100 частиц. Агрегаты, вероятно, не образуются под действием импульсов поля, а существуют в жидкости с момента её приготовления. Это предположение подтверждается данными фотонной корреляционной спектроскопии МЖ без воздействия внешних полей [4], которые дают значение размеров таких агрегатов ~100 нм.

Скибин Ю.Н. Молекулярно-кинетический механизм электрои магнитооптических явлений в магнитных жидкостях. Дис… доктора физ.-мат. наук. — Ставрополь, 1996. — 319 с.

Yerin C.V., Padalka V.V. Relaxation of the birefringence induced by external fields in a ferromagnetic colloids // Book of Abstracts 9-th International Conference on Magnetic Fluids. Bremen, 2001. — P. 226.

Падалка В.В., Ерин К.В. Оптический метод обнаружения агрегатов в разбавленных магнитных коллоидах // Сборник научных трудов 10-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2002. — С. 162−167.

Neitsel U., Barner K. Optical measurements on ferromagnetic colloids // Physics Letters. — 1977. — V. 63, № 3. — P. 327−329.