Анизотропия проводимости магнитной жидкости в магнитном поле

Анизотропия проводимости магнитной жидкости в магнитном поле.

Работа посвящена исследованию электропроводности высокодисперсных коллоидов ферромагнетиков (магнитных жидкостей), до настоящего времени остающихся объектом, привлекающим внимание исследователей. Интерес к магнитным жидкостям объясняется не только возможностью их практического применения, но и возникновением целого ряда физических проблем, касающихся таких сред.

Исследования электрических свойств коллоидных систем, проведенные Духиным С.С., Дерягиным Б.В., Шиловым В.Н. показали, что данные характеристики несут информацию о процессах, протекающих в стабилизирующих оболочках, о размере и форме частиц, процессах структурирования. В связи с этим, одним из важнейших макроскопических параметров, определяющим возможность перемещения электрических зарядов, выделяют электропроводность системы.

В то же время, вопрос однозначного представления о механизме электропроводности магнитной жидкости остается открытым. Не ясным является и вопрос возникновения анизотропии электропроводности магнитной жидкости при воздействии на неё однородного и неоднородного магнитного поля.

Наряду с исследованием поведения магнитной жидкости в магнитном поле, интерес представляет изучение поведения в электрическом и магнитном полях композиционных сред – магнитных жидкостей с немагнитным наполнителем.

Поэтому целью настоящего выступления является представление результатов исследования влияния неоднородного магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости, а также результатов исследования анизотропии электрической проводимости магнитной жидкости с немагнитным наполнителем в магнитном поле.

Магнитные жидкости – ультрадисперсные коллоиды ферро– и ферримагнетиков при воздействии на них однородного магнитного поля приобретают анизотропию макроскопических свойств. Очевидно, её появление следует связывать с ориентационным упорядочиванием и взаимодействием дисперсных частиц. Одним из наиболее ярких проявлений такого упорядочения являются обнаруженные особенности оптических свойств магнитных жидкостей в магнитном поле – анизотропное светорассеяние и двойное лучепреломление. Вместе с тем ожидаемого существенного влияния однородного магнитного поля на электрические свойства магнитных жидкостей до настоящего времени не обнаружено.

С другой стороны, в неоднородном магнитном поле на магнитный момент частицы магнетита действует сила, обусловленная градиентом поля, определяемая следующим выражением:

, (1)

где – магнитный момент частицы магнетита. 

При помещении ячейки с магнитной жидкостью в неоднородное магнитное поле, под действием силы (1) все частицы магнетита будут перемещаться к одному из электродов. В результате в области этого электрода концентрация частиц магнетита увеличится по сравнению с первоначальной, а на противоположном – уменьшится. 

В предположении, что частицы магнетита несут на себе заряд потенциалопределяющих ионов, на электроде с повышенной концентрацией магнетита будет происходить накопление заряда определенного знака, а в самой ячейке – разности потенциалов. Однако, как известно мицелла дисперсной фазы в коллоидном растворе в целом электронейтральна, поэтому частица магнетита в магнитной жидкости также должна оставаться электронейтральной. То есть частицы магнетита, несущие на себе заряд потенциалопределяющих ионов будут дрейфовать в неоднородном магнитном поле вместе с противоионами, находящимися под действием электростатических сил притяжения со стороны заряда частицы. Соответственно на электроде с повышенной концентрацией магнетита наряду с накоплением заряженных частиц будет происходить накопление ионов противоположного знака. То есть, образования разности потенциалов в ячейке не произойдет.

Нами проводились исследования поведения магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле.

При помещении кюветы с магнитной жидкостью на основе керосина в неоднородное магнитное поле не наблюдалось образование разности потенциалов на электродах ячейки. При смене направления градиента магнитного поля, показания приборов не изменялись. Отсюда можно сделать вывод, что наше предположение имеет место для случая магнитной жидкости на керосине.

Несмотря на полученный результат в эксперименте по определению разности потенциалов на электродах ячейки с магнитной жидкостью на основе керосина, проявление магнитофоретического движения частиц магнетита должно сказаться при прохождении электрического тока в ячейке. 

Нами исследовалась зависимость сопротивления ячейки с магнитной жидкостью, помещенной в неоднородное магнитное поле, от величины и направления градиента магнитного поля при различных значениях концентрации магнитной фазы в магнитной жидкости. 

Исследовалась зависимость сопротивления магнитной жидкости от величины и направления градиента магнитного поля, концентрация магнитной фазы в которой составляла . Данные зависимости представлены на рисунке 1. Из графика видно, что кривая зависимости сопротивления магнитной жидкости от величины градиента магнитного поля проходит через максимум. При этом кривая 1 соответствует случаю , а кривая 2 соответствует случаю . При этом условия  и  в эксперименте достигались сменой направления градиента магнитного поля. Для данной концентрации относительное изменение сопротивления ячейки при различном направлении градиента магнитного поля достигает 4,3 %. При этом случайная погрешность в эксперименте, вычисленная с помощью метода наименьших квадратов составляет менее 0,5 %, а приборная не превышает 0,5 %.

На рисунке 2 так же представлена зависимость сопротивления магнитной жидкости от величины и направления градиента магнитного поля при концентрации магнитной фазы . При этом кривая 1 соответствует случаю , а кривая 2 соответствует случаю . Однако условия  и  в эксперименте достигались сменой полярности на электродах ячейки. Из графика видно, что характер кривой 2 в данном случае существенно отличается от кривой 2 в эксперименте графика 1. По-видимому, что такой вид зависимости связан с разрушением приэлектродного слоя повышенной концентрации магнитной фазы и объемного заряда вблизи электрода.

Также были проведены исследования сопротивления ячейки с магнитной жидкостью в неоднородном магнитном поле, концентрация магнитной фазы в которой составляла . Оказалось, что в данном случае зависимость изменения сопротивления ячейки с магнитной жидкостью от направления неоднородного магнитного поля аналогичная. Однако, относительное изменение сопротивления ячейки с магнитной жидкостью с объемной концентрацией магнетита  при различном направлении градиента магнитного поля составляет 14,6 %. 

Для объяснения возникающей анизотропии проводимости в неоднородном магнитном поле следует учесть, что в неоднородном магнитном поле частицы магнетита, втягиваются в область большего поля. В зависимости от заряда частицы магнетита, обусловленного потенциалопределяющими ионами, вклад, вносимый этим потоком в электропроводность магнитной жидкости, будет либо увеличивать величину переносимого заряда, либо уменьшать.

Были сняты вольтамперные характеристики магнитной жидкости при малых значениях концентрации от величины и направления градиента магнитного поля. На рисунке 3 представлены полученные зависимости: кривая 1 соответствует значению градиента магнитного поля , кривая 2 – . При этом, градиент магнитного поля и вектор напряженности электрического поля противоположны по направлению (). Кривая 3 соответствует смене направления градиента магнитного поля на противоположное, при том же его абсолютном значении. В данном случае . Из графика видно, что величина электрического поля не сказывается на относительном изменении сопротивления ячейки при различном направлении градиента магнитного поля.

Используя результаты приведенных экспериментальных исследований можно определить виды основных носителей заряда в магнитной жидкости; таковыми являются ионы примесей в дисперсионной среде – керосине, частицы магнетита с адсорбированными, потенциалопределяющими ионами и противоионами ионами, находящимися вблизи частиц магнетита.

Сформулированные выводы об основных носителях заряда в магнитных жидкостях, позволяют предложить следующий механизм электропроводности магнитного коллоида. Электрическая проводимость магнитной жидкости, как любой коллоидной системы, связана с двумя способами переноса заряда в электрическом поле: первый из них определяется ионами, содержащимися в дисперсионной среде, миграция которых происходит по линиям тока, огибающим частицы дисперсной фазы, второй связан с миграцией ионов, располагающихся вблизи частицы магнетита, несущей на себе заряд потенциалопределяющих ионов, а также движением самих заряженных частиц магнетита. Эта составляющая определяет поверхностную проводимость раствора. 

Опираясь на представления об электропроводности коллоидных систем, получено выражение для удельной проводимости магнитной жидкости, представленное формулой (1):

, (1)

где удельная проводимость дисперсионной среды,  – структурный коэффициент проводящей частицы, окруженной диэлектрической оболочкой в дисперсионной среде,  – выражение, определяющее поверхностную проводимость коллоидного раствора. В (1) введено обозначение  – параметр, зависящий от диэлектрических свойств дисперсионной среды () и слоя олеиновой кислоты (). 

Используя (1) и определив опытным путем удельную проводимость магнитной жидкости, можно подсчитать значение плотности поверхностного заряда частиц магнетита и поверхностной проводимости магнитной жидкости. Для выбранного нами образца магнитной жидкости значения этих величин оказались равными соответственно  и .

Как уже отмечалось, ожидаемого существенного влияния однородного магнитного поля на электропроводность магнитных жидкостей до настоящего времени не обнаружено. Однако положение может существенно измениться в случае добавления в магнитную жидкость дисперсного наполнителя – немагнитных частиц с достаточно большой электропроводностью. В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования электропроводности магнитной жидкости с немагнитным наполнителем в однородном магнитном поле.

При воздействии магнитного поля на магнитную жидкость, содержащую немагнитные частицы, последние могут рассматриваться как «диамагнитные» частицы, имеющие магнитные моменты, направленные противоположно полю. Вследствие взаимодействия магнитных моментов происходит объединение немагнитных частиц в цепочечные структуры. Взаимодействие частиц, принадлежащих различным цепочкам приводит к объединению коротких цепей в более длинные, а при их высокой концентрации – к боковому слипанию и образованию более крупных структур. Таким образом, воздействие магнитного поля на магнитную жидкость с мелкодисперсным немагнитным наполнителем приводит к структурной анизотропии, о чем свидетельствует появление анизотропного рассеяния света. 

Исследование электропроводности магнитных жидкостей с немагнитным наполнителем различной формы (сферической, цилиндрической) и наполнителя с высокой и низкой проводимостью (графитовая и эбонитовая пыль), выявило характерную зависимость её от величины и направления внешнего однородного магнитного поля, представленную на рисунках 4, 5, 6, 7. Здесь на рисунке 4 представлена зависимость сопротивления магнитной жидкости с немагнитным наполнителем сферической формы, на рисунке 5 – цилиндрической формы, на рисунке 6 – наполнителя с низкой проводимостью (эбонитовая пыль), на рисунке 7 – наполнителя с высокой проводимостью (графитовая пыль). Как видно из рисунков, сопротивление слоя таких композиционных магнитных жидкостей уменьшается, когда направления магнитного поля и тока совпадают, и увеличивается при действии поля в случае его направления перпендикулярно линиям тока (кривые 1 и 2 соответственно). Разность между значениями измеренных таким образом сопротивлений зависит от объемного содержания немагнитных частиц, при этом в случае проводящих (графитовых) частиц она достигает более высоких значений (20 %), чем для непроводящих частиц из эбонита (10 %). 

В результате проведенных исследований было установлено, что электрическое сопротивление магнитной жидкости при добавлении в неё дисперсных проводящих частиц увеличивается пропорционально их объемному содержанию (рис.8, кривая 1). 



1

2

R, 106 Ом

Рис 8. Зависимость сопротивления слоя магнитной жидкости (1) и относительной разности сопротивлений в случае перпендикулярных и сонаправленных электрического и магнитного полей (2)  от объёмного содержания дисперсного наполнителя.

При этом разность между значениями сопротивления в случае, когда электрическое и магнитное поля перпендикулярны и сонаправленны, определяется величиной объемного содержания немагнитных проводящих включений и может достигать 20 % (рис.8, кривая 2).

Теоретическое рассмотрение электропроводности суспензии с частицами различной формы и различными диэлектрическими параметрами достаточно подробно проведено Духиным С.С. В частности, для суспензий с диэлектрическими частицами в пренебрежении поверхностной проводимостью, связанной с двойным электрическим слоем, удельная проводимость  определяется в виде: 

, (2)

где  – удельная электрическая проводимость дисперсионной среды, F – коэффициент структурного сопротивления, являющийся функцией объемной концентрации  непроводящих частиц:

. (3)

В случае эллипсоидальной частицы, ориентированной осью i по полю,

, (4)

где Аi – фактор деполяризации эллипсоида в направлении оси i. 

Происходящее под воздействием магнитного поля объединение взвешенных в магнитной жидкости частиц в цепочки должно приводить к изменению фактора деполяризации, и, в соответствии с (2) – (4) к изменению проводимости суспензии, что и наблюдается в эксперименте. Проведенный анализ фотографий цепочечных структур, сформированных магнитным полем показал, что среднее значение отношения b/a при максимальной напряженности магнитного поля достигаемого в экспериментальных исследованиях, имеет значение около 1/6. В этом случае, согласно расчетам по формулам (2) – (4) относительное изменение сопротивления, измеренного вдоль и перпендикулярно магнитному полю отнесенное к сопротивлению ячейки в отсутствии магнитного поля должно составлять 14 %. При этом экспериментально определенные значения относительного изменения сопротивления ячейки с магнитной жидкостью с немагнитным наполнителем, при одном и том же объемном содержании включений, имели следующие значения: для наполнителя сферической формы 12 %, для наполнителя цилиндрической формы (в магнитном поле с Тл) – 6 %, для эбонитового наполнителя 9 %, для графитового наполнителя достигает 20 %.Некоторое количественное несоответствие с экспериментально полученными результатами может быть связано с оседанием отдельных наиболее крупных частиц и понижением в связи с этим концентрации немагнитных частиц в объеме образца. Другой причиной этого может быть полидисперсность реальных суспензий, строгий учет которой при построении теории затруднителен. 

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что введение немагнитной дисперсной фазы в магнитную жидкость дает возможность управлять ее электрическими свойствами с помощью воздействия относительно малых магнитных полей. Благодаря этому такие композиционные магнитные жидкости могут найти применение в областях, использующих материалы с заданными управляемыми параметрами.