Исследование магнитной жидкости методом рассеяния света

31/2002 ЯШ

Вестник Ставропольского государственного университета ШИВ]

Фиш

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ РАССЕЯНИЯ СВЕТА

В.В. Падалка, К.В. Ерин

INVESTIGATION OF MAGNETIC FLUID BY LIGHT DISPERSION METHOD

Padalka V.V., Erin K.V.

There has been investigated the phenomenon of light dispersion by magnetic cobalt ferrite colloids and magnetite in kerosene under the electric and magnetic field effect. According to the specific time of light dispersion decrease after switching-off the field hydrodynamic dimensions of colloid particles, which correlate with the data on double refraction effect, are determined.

Исследовано явление рассеяния света магнитными коллоидами феррита кобальта и магнетита в керосине при воздействии электрического и магнитного полей. По характерному времени уменьшения рассеяния света после выключения поля определены гидродинамические размеры коллоидных частиц, которые согласуются с данными по кинетике эффекта двойного лучепреломления

УДК 541.18:537.84

Впервые в Ставропольском государственном университете оптические свойства магнитных жидкостей (МЖ) методом рассеяния света предложил изучать проф. Ю.Н. Скибин [1]. 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 изменяется пропорционально^. Это свидетельствует о достаточ-X

но 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 однодомен-ных частиц, что затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов, полученных в последнее время [2, 3]. Для систематического изучения физических свойств МЖ необходима разработка электро-магнито-оптических методов исследования магнитных коллоидных систем. Разработка этих методов связана с решением целого ряда проблем, имеющих как чисто теоретиче-

¡Щ Падалка В.В., Ерин И.В.

ВНМ «Исследование магнитной жидкости методом рассеяния света»

ский, 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 агрегатив-ной 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 переменных и импульсных электрического и магнитного полей. Источником света являлся Не-№ 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 0. 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 [2].

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

1 -10 Т-

величине « =-^, где 1 - интенсивность

10

рассеянного света при воздействии поля, 10 -интенсивность рассеянного света без поля.

Рис. 1.

При воздействии на образец переменного электрического или магнитного поля с частотой ю, рассеянный свет изменяется с частотой 2ю 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 0=90° света (частота изменения поля 120 Гц, образец СоРе204 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

31/2002 ЯШ Вестник Ставропольского государственного университета

1/10

t, ms

Рис.2

{, те

Рис. 3

экспериментальным кривым спада рассчитаны коэффициенты вращательной броуновской диффузии для коллоидных частиц с помощью соотношения:

а = атах ехр(-6В{), где В - коэффициент вращательной диффузии.

Коэффициент Б связан с гидродинамическим диаметром сферической частицы соотношением:

а = 3 кТ , где кТ - энергия теплового \пп В

движения, п - вязкость.

Вычисления дали для образца Ре304 В керосине й = 10 нм, а для образца СоРе204 в керосине а? =180 нм. Значения гидродинамических диаметров частиц находятся в хорошем согласии с результатами, полученными по кривым уменьшения эффекта двойного лучепреломления в этих же жидкостях [3].

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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скибин Ю.Н. Молекулярно-кинетический механизм электро- и магнитооптических явлений в магнитных жидкостях: Дис, доктора физ.-мат. наук. - Ставрополь, 1996. - 319 с.

2. 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.

3. Падалка В.В., Ерин КВ. 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.

4. Neitsel U., Barner К. Optical measurements on ferromagnetic colloids // Physics Letters. - 1977. -V. 63, №3. - P. 327 - 329.

Об авторах

Падалка Виталий Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент, декан физико-математического факультета Ставропольского государственного университета, заведующий кафедрой общей физики. Область научных интересов: оптические свойства магнитных жидкостей. Автор более 60 научных работ. Ерин Константин Валерьевич, кандидат физико-математических наук, начальник отдела планирования и развития научных исследований СГУ. Область научных интересов - оптические методы исследования строения и свойств магнитных коллоидов. Автор 20 научных работ.