Рассеяние света в магнитных коллоидах при одновременном воздействии электрического и магнитного полей

Ф131КН

РАССЕЯНИЕ СВЕТА В МАГНИТНЫХ КОЛЛОИДАХ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ

К.В. Ерин, В.В. Падалка

LIGHT DIFFUSION IN MAGNETIC COLLOIDS UNDER SIMULTANEOUS INFLUENCE OF ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS

K.V. Erin, V.V. Padalka

Change of light scattering intensity at simultaneous action of parallel and perpendicular magnetic and electric fields were investigated. High harmonics in signal of light scattering at the action of alternate field were found. Compensation of change of light scattering intensity at some value of perpendicular magnetic and electric fields was found.

Исследовано изменение интенсивности рассеяния света при одновременном воздействии соосных и взаимоперпендикулярных электрического и магнитного полей. Показано, что при воздействии переменного поля с некоторой частотой в спектре сигнала интенсивности рассеяния содержатся высшие гармоники. Обнаружено, что при определенных значениях напряженности взаимоперпендикулярных полей возможна компенсация изменения интенсивности рассеяния.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» на 2002-2006 годы, государственный контракт №02.438.11.7001.

УДК 541.182

Введение

Оптические методы являются одними из самых точных при исследовании физических свойств макромолекулярных и коллоидных систем. При воздействии внешнего электрического поля в коллоидах весьма ярко проявляются такие оптические эффекты, как анизотропное рассеяние света, дихроизм, двойное лучепреломление, а также в некоторых случаях флуоресценция и вращение плоскости поляризации света [1].

Ультрадисперсные коллоиды магнитных частиц размером около 10 нм в различных средах, получившие название «магнитных жидкостей», являются уникальными средами, свойствами которых можно управлять магнитным полем. В таких коллоидных системах многие из указанных выше оптических эффектов могут наблюдаться не только при воздействии электрического поля, но и при воздействии магнитного, при этом величина эффектов при соответственно подобранных напряженностях полей может быть сопоставима, что дает возможность наблюдать в этих системах электромагнитооптические эффекты, не имеющие аналогов в оптике обычных (немагнитных) коллоидов. Так, в работе [2] обнаружен и описан эффект взаимной компенсации двойного лучепреломления (ДЛП) в скрещенных электрическом и магнитном полях. Теория этого явления построена в предположении ориентации отдельных магнитных коллоидных частиц под действием взаимоперпенди-

I

кулярных электрического и магнитного полей. Выводы этой теории качественно согласуются с экспериментальными данными, однако в последнее время появился ряд работ, показывающих, что оптические эффекты в магнитных коллоидах определяются не отдельными частицами, а их агрегатами, содержащими от десятков до сотен тысяч отдельных частиц. В работе [3], основываясь на данных исследования кинетики электрического двойного лучепреломления в коллоидной системе магнетит-керосин, нами сделан вывод о том, что ДЛП в исследуемой системе определяется агрегатами размером около 100 нм. В работах [4, 5] аналогичный вывод сделан по результатам исследования индуцированного магнитным полем дихроизма в магнитных коллоидах. Исследования рассеяния света в магнитных жидкостях при воздействии электрического и магнитного полей проведены в [6, 7]. Наши исследования [6] показали, что изменение интенсивности рассеянного света при воздействии электрического и магнитного полей также определяется ориентацией агрегатов частиц.

Исследование магнитных коллоидов методом динамического рассеяния света, проведенное в работе [7], показало, что даже в отсутствие внешних электрического и магнитного полей рассеяние света в исследуемых коллоидных системах определяется агрегатами частиц с характерным диаметром порядка 100 нм. Изучение рассеяния света при одновременном воздействии электрического и магнитного полей позволит уточнить теорию электро-магнитооптических явлений в магнитных коллоидах с учетом наличия в них агрегатов частиц. В данной работе представлены экспериментальные результаты таких исследований.

Экспериментальные исследования

Образец для исследований представлял собой магнитный коллоид магнетита в керосине, стабилизированный олеиновой кислотой, с объемной концентрацией твердой фазы 0,05 объемных %. Экспериментальная установка изображена на рис. 1. Источником света 1 являлся гелий-неоновый лазер ГН-2П (мощность 2 мВт, 100% линей-

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

ная поляризация, производство ОАО «Плазма», Россия). Исследуемый образец помещался в цилиндрическую кювету с вмонтированными в нее латунными электродами 2. Расстояние между электродами 3 мм. Горизонтальное магнитное поле (5-200 Э) создавалось катушками Гельмгольца (на схеме не показаны). Катушки располагались на поворотной платформе, что позволяло создавать магнитное поле любого направления в горизонтальной плоскости. Для создания переменного электрического поля электроды подключались к высоковольтному повышающему трансформатору 3, напряжение на первичную обмотку которого подавалось от генератора Г3-102 через усилитель У100. Свет, рассеянный на угол ©=45°, диафрагмировался при помощи ирисовой диафрагмы. Изображение светового луча в кювете при помощи линзы 4 проецировалось на щель 5, вплотную к которой располагался фотокатод 6 фотоэлектронного умножителя ФЭУ-27. Сигнал, пропорциональный интенсивности рассеянного света, через измерительный усилитель 7 с полосой частот 1 Гц-

1, О'КГ.

10000

1000

100

о

50

00

100 кГц подавался либо на осциллограф С1-79, либо на анализатор спектров СК4-56, либо на аналого-цифровой преобразователь 8 ЛА-70М4 (частота дискретизации до 14,3 кГц, производство ЗАО «Руднев-Шиляев», Россия). Использование нескольких приборов позволяло производить измерение амплитуды сигнала светорассеяния, сдвига фаз между интенсивностью рассеяния света и приложенным переменным полем, запись частотного спектра фототока, а также вычисление автокорреляционной функции динамического рассеяния света. Частотный спектр фототока может записываться как при установке дискретных частот при помощи анализатора спектров, так и программно с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье по выборкам из 128-8192 значений исследуемого сигнала с последующим усреднением до нескольких тысяч спектров.

Воздействие на исследуемую жидкость постоянным электрическим полем приводит к изменению интенсивности рассеянного света, однако регистрация этих из-

4 ;т>

150

200 .ш / 2л, Гтд

Рис. 2. Спектр сигнала, соответствующего изменению интенсивности рассеянного света в переменном электрическом поле эффективной напряженностью Е=1.8 МВ/м и частотой 33 Гц.

менений затруднена из-за малой их величины по сравнению с фоном рассеяния и резких изменений интенсивности рассеянного света под действием возникающих электрогидродинамических течений. Применение же переменного электрического поля позволяет существенно увеличить точность эксперимента, т.к. от постоянного фона легко избавиться при помощи простых радиотехнических методов, а интенсивность электрогидродинамических течений в переменном поле невелика. При воздействии переменного электрического поля с частотой ю изменение сигнала, пропорционального интенсивности рассеянного света, на экране осциллографа происходит с удвоенной частотой 2ю. Однако исследование спектра фототока, соответствующего регистрируемой интенсивности света, показывает, что сигнал содержит не только гармоническую составляющую с частотой 2ю, но и еще две гармонические составляющие с частотой 4ю и 6ю. На рис. 2 представлен спектр сигнала, соответствующего изменению интенсивности рассеянного света в переменном электрическом поле с частотой 33 Гц. В правом верхнем углу - фотография экрана двухлучевого

осциллографа (верхний луч - изменение поля, нижний луч - сигнал рассеяния света). Зависимости амплитуд гармонических составляющих 2ю и 4ю от квадрата напряженности электрического поля представлены на рис. 3.

При одновременном действии переменного электрического и постоянного магнитного полей амплитуда основной гармоники (2ю) изменения интенсивности рассеянного света меняется. В случае сосной конфигурации полей воздействие магнитного поля приводит к росту амплитуды этой гармонической составляющей. В случае же взаимноперпендикулярной ориентации электрического и магнитного полей, при некотором соотношении напряженностей полей амплитуда основной гармоники изменения интенсивности рассеянного света достигает минимального значения, а при дальнейшем увеличении величины электрического поля (при неизменном магнитном) начинает расти. На рис. 4 показана экспериментально полученная зависимость амплитуд компонент интенсивности рассеянного света от эффективной напряженности электрического поля при дополнительном воз-

Рис. 3. Зависимость амплитуды компонент с частотами 2ю и 4ю изменения интенсивности рассеянного света от квадрата напряженности электрического поля (частота поля 33 Гц).

действии перпендикулярного электрическому полю постоянного магнитного поля напряженностью 60 Э. Важно отметить, что минимум в зависимости амплитуды от напряженности поля наблюдается только для составляющей 2ю, а для составляющих 4ю и 6ю действие перпендикулярного электрическому магнитного поля не влияет на монотонный рост амплитуд этих составляющих.

Таким образом, можно сказать, что для индуцированного рассеяния света магнитной жидкостью наблюдается эффект «компенсации» изменений интенсивности рассеяния в скрещенных электрическом и магнитном полях. Аналогичный эффект в явлении двойного лучепреломления был уже обнаружен ранее [2].

Зависимость эффекта компенсации от ориентации векторов электрического и магнитного полей определялась следующим образом. На электроды ячейки подавалось переменное напряжение U=5.5 кВ (что соот-

ветствует напряженности поля E=1.8 МВ/м), а расположенные на вращающейся платформе катушки Гельмгольца поворачивались таким образом, чтобы вектор напряженности магнитного поля принимал различную ориентацию в плоскости рассеяния, при этом вектора напряженностей электрического и магнитного полей все время находились во взаимноперпендикулярном положении. При каждом положении катушек подбиралось такое значение напряженности магнитного поля, которое соответствует минимуму гармонической составляющей 2ю сигнала изменения интенсивности рассеянного света. На рис. 5 изображена зависимость напряженности постоянного магнитного поля, необходимого для компенсации действия переменного электрического поля от угла между плоскостью, в которой лежат вектора Е и Н и биссектрисой угла наблюдения.

Рис. 4. Зависимость амплитуд компонент изменения интенсивности рассеянного света при одновременном воздействии перпендикулярного плоскости наблюдения переменного электрического поля и постоянного магнитного поля (Н=60 Э), лежащего в плоскости наблюдения (угол

между биссектрисой угла наблюдения и направлением магнитного поля П = 22.5').

113 200

150

100

58

О

О ° о о Л О О о о

0 45 90 135 180 22 5 270 315 360

Рис. 5. Зависимость напряженности постоянного магнитного поля, соответствующей минимуму изменения интенсивности рассеянного света в переменном электрическом поле £=1.8 МВ/м от угла между направлением магнитного поля и биссектрисой угла наблюдения.

содержаться только одна гармоническая составляющая с частотой 2w. Наличие в спектре исследуемого сигнала других гармоник можно объяснить отклонением зависимости изменения интенсивности света от напряженности поля от квадратичного закона. При этом интенсивность рассеянного света будет меняться по закону, отличному от синусоидального, и в спектре интенсивности появятся высшие гармоники. Для гармонической составляющей с частотой 2w отклонение зависимости DI = f (E2) от линейной хорошо заметно (рис. 3). Причиной отклонения зависимости от квадратичной может быть как полидисперсность исследуемого коллоида, так и протекающие в нем процессы агрегирования под действием электрического поля, которые сильно влияют на оптические свойства магнитных коллоидов [7]. В случае полидисперсного магнитного коллоида для каждой фракции частиц угловой

коэффициент в зависимости DI = f (E2) будет определяться электрической поляризуемостью, а в конечном итоге - размером частиц-рассеивателей. Это и приведет к тому, что исследуемая зависимость будет

Обсуждение результатов

Согласно [8], относительное изменение интенсивности рассеяния света под действием синусоидального электрического поля амплитудой Е0 и частотой ю в монодисперсной системе коллоидных частиц, не обладающих постоянным электрическим моментом, следует выражению:

DI

где

V I0 0

f Diл

V 10 0

+

rDJ_Л

V I0 0

cos

1 +

w

4 D7

E2 -

относительное измене-

ние интенсивности рассеяния света в постоянном поле с эффективной напряженностью Е

Е = Е

, ^ - коэффициент вращательной

броуновской диффузии коллоидных частиц,

ф = ~ фазовый угол.

Из формулы (1) следует, что в спектре интенсивности рассеянного света должна

0

st

st

st

иметь нелинейную форму. В случае агрегирования частиц под действием электрического поля возникающие в растворе агрегаты будут иметь значительно большую, чем отдельные частицы, поляризуемость, и это приведет к увеличению угла наклона зависимости DI = f (E2) . Проведенное нами математическое моделирование спектрального состава рассеянного света в переменном электрическом поле с учетом полученной экспериментально зависимости

DI = f (E2) предсказывает наличие в спектре также составляющей с частотой 8w, однако последняя в пределах ошибок эксперимента не регистрируется.

Воздействие дополнительного магнитного поля изменяет функцию распределения коллоидных частиц по ориентациям, что, как показано в [2], при определенном соотношении напряженностей полей в случае их взаимноперпендикулярной ориентации может привести к исчезновению оптической анизотропии вдоль данного направления. Зависимость величины компенсирующих полей от пространственной ориентации плоскости, в которой лежат векторы E и H свидетельствует, по-видимому, о различии условий компенсации оптической анизотропии для различных углов рассеяния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Jennings B.R. Introduction to modern electro-optics // Molecular Electro-Optic properties of Macromolecules and Colloid in Solution. New-York - London: Plum Press, 1981. - P. 27-81.

2. Кожевников В.М., Падалка В.В, Райхер Ю.Л., Скибин Ю.Н., Чеканов В.В. Оптическая анизотропия магнитной жидкости в скрещенных электрическом и магнитном полях // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1987. - Т. 51. - № 6. - С. 1042-1048.

3. Падалка В.В., Ерин К.В. Изучение электрического двойного лучепреломления в коллоидах магнитных частиц // Коллоидный журнал. - 2001. - Т. 63. - № 3. - С. 389-393.

4. Socoliuc V. Investigation of concentration and surfactant duality influence on particle agglomeration in ferrofluids from static linear dichro-ism experiments // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 1999. - V. 201. - P. 146157.

5. Reed W., Fendler J.H. Anisotropic aggregates as the origin of magnetically induced dichroism in ferrofluids // Journal of Applied Physics. -1986. - V.59. - № 8. - P. 2914-2924.

6. Падалка В. В., Ерин К. В. Исследование магнитной жидкости методом рассеяния света // Вестник Ставропольского государственного университета. - 2002. - №31. -С. 23-25.

7. Падалка В.В., Ерин К.В., Борисенко О.В. Экспериментальные методы обнаружения кластеров магнитных частиц в магнитных жидкостях // Вестник Ставропольского государственного университета. - 2003. -№ 34. - С. 40-48.

8. Электрооптика коллоидов / Под ред. С.С. Духина. - Киев: Наук. думка, 1977. -200 c.

Об авторах

Падалка Виталий Васильевич, доктор физико-математических наук, доцент, декан физико-математического факультета Ставропольского государственного университета, заведующий кафедрой общей физики. Область научных интересов - оптические свойства магнитных жидкостей. Автор более 70 научных работ. Ерин Константин Валерьевич, кандидат физико-математических наук, доцент, начальник отдела фундаментальных и поисковых исследований СГУ. Область научных интересов - оптические методы исследования строения и свойств магнитных коллоидов. Автор более 30 научных работ.