Формирование лабиринтной структуры в тонких пленках магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях

am 28/2001

црц]ц| Вестник Ставропольского государственного университета

СТРВАШ АСПИРАНТОВ У СОШТЕАЕП

ФОРМИРОВАНИЕ ЛАБИРИНТНОЙ СТРУКТУРЫ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

О.А. Нечаева

Исследованию процессов формирования лабиринтных структур в магнитных жидкостях под воздействием магнитного поля посвящено довольно большое количество работ [1]. Вместе с тем, как показано ранее в работах Диканского Ю.И., Шацкого В.П. [2,3], образование и трансформация структурных решеток (в том числе и лабиринтного типа) возможно также и в электрических полях. О формировании структурной решетки в тонких слоях магнитной жидкости в постоянном электрическом поле сообщалось также в работе Кожевникова В.М., Морозовой Т.Ф. и др. [4]. Настоящая работа посвящена изучению лабиринтной структуры в тонких слоях магнитной жидкости под воздействием совместных электрического и магнитного полей в широком температурном интервале.

Кювета для экспериментальных исследований состояла из двух прямоугольных стеклянных пластин с прозрачным токопро-водящим покрытием. Между стеклами помещена фторопластовая пленка с круглым отверстием посредине, которое заполнялось магнитной жидкостью. Толщина слоя магнитной жидкости составляла 30-40 мкм и регулировалась подбором пленок разной толщины. Собранная таким образом кювета прижималась с помощью механического зажима к термостатирующей системе, через которую прокачивалась вода с заданной температурой с помощью жидкостного термостата. Для создания электрического поля на пластины подавалось напряжение от ста-

LABYRINTH STRUCTURE FORMATION IN THIN LAYERS OF MAGNETIC FLUID IN MAGNETIC AND ELECTRIC FIELDS

O.A. Nechaeva

This work presents the results of experimental research of labyrinth structure matrix appearing in thin layers of magnetic fluid under the Influence of magnetic and electric fields. The conclusion about the posslbllity to control light beams on the basis of the discovered effect is made.

В работе приведены результаты экспериментального исследования лабиринтной структурной решетки, возникающей в тонких слоях магнитной жидкости под воздействием электрического и магнитного полей. На основании полученных результатов сделан вывод о возможности управления световыми лучами на основе обнаруженного эффекта.

УДК 541.182:537.84

Нечаева O.A.

«Формирование лабиринтной структуры в тонких пленках магнитной жидкости...»

билизированного источника постоянного тока, в качестве намагничивающей системы использовались катушки Гельмгольца, создающие однородное поле в объеме, несколько раз превышающем габариты кюветы. Визуальное наблюдение процессов формирования и трансформации структуры, происходящих в МЖ осуществлялось с помощью оптического микроскопа и цифровой видеокамеры с выводом изображения на монитор компьютера. С целью изучения динамики структурных превращений исследовалась также дифракция света на структурных образованиях. Для этого перпендикулярно плоскости слоя магнитной жидкости пропускали луч гелий-неонового лазера; полученная в результате этого дифракционная картина наблюдалась на экране, а ее фото-метрирование осуществлялось с помощью миниатюрного фотоприемника. В качестве объекта исследования использовалась магнитная жидкость на основе керосина с маг-нетитовыми частицами и олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Объемная концентрация дисперсной фазы составляла 11,7 %, динамическая вязкость 5»103 Па*с.

Было обнаружено, что воздействие электрического поля на тонкий слой магнитной жидкости, расположенный в горизонтальной плоскости, приводит к появлению в ней системы микрокапельных агрегатов, которая при дальнейшем повышении напряженности электрического поля трансформируется в лабиринтную структуру. При этом размерный параметр лабиринтной решетки уменьшается при увеличении напряжения на электродах ячейки. Дифракционная картина, наблюдаемая в этом случае, представляет собой одно (или несколько дифракционных колец), диаметр которого увеличивается при повышении напряжения на ячейке. При достижении некоторого критического значения напряженности электрического поля в образце развиваются электрогидродинамические течения, в результате чего лабиринты приобретают подвижность и в дальнейшем разрушаются. Оказалось, что регулирование размерным параметром лабиринтной структуры, полученной в электрическом поле возможно и с помощью до-

полнительного воздействия магнитным полем. На рис. 1 представлены фотографии лабиринтной структуры, когда магнитное поле отсутствует (а), и при различных значениях напряженности магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости слоя магнитной жидкости (вдоль вектора напряженности электрического поля): (б) -Н = 1,6 кА/м, (в) - Н = 3,6 кА/м. Дифракционная картина в этом случае также представляет собой дифракционное кольцо, диаметр которого зависит от величины напряженности магнитного поля. Так при увеличении напряженности магнитного поля от 1,6 до 7 кА/м диаметр кольца, полученного на экране, удаленном от слоя магнитной жидкости на расстояние 1 м, увеличивается от 30 до 35 мм.

Оказалось, что характер образующейся в электрическом поле структурной решетки существенно зависит от расположения плоскости ячейки относительно направления силы тяжести. Оказалось, что при изменении положения плоскости слоя магнитной жидкости от горизонтального к вертикальному первоначально вместо лабиринтной происходит образование полосовой структуры, иногда с редко расположенными перемычками между длинными, параллельными полосовыми агрегатами (рис. 2а). Дифракционная картина представляет в этом случае картину, аналогичную получаемой с помощью линейной дифракционной решетки. Расчеты периода структурной решетки при использовании условия максимума d sin ф = кХ дали значение, близкое к измеренному с помощью оптического микроскопа при использовании объект-микрометра (55 мкм). Для ширины полосового агрегата измерения дали значение порядка 14 мкм. Увеличение электрического поля приводит сначала к появлению перемычек между полосовыми образованиями, а затем и к трансформации в лабиринтную структурную решетку (рис.2): (а) - U = 2,3 В, (б) - U = 5,1 В, (в) - U = 6,4 В. К аналогичному результату приводит и повышение температуры; так при достижении температуры 80°С первоначально образовавшаяся полосовая структурная решетка (при U = 2,3 В) трансфор-

28/2001

Вестник Ставропольского государственного университета

мируется в лабиринтную. В случае, когда сначала производится нагрев жидкости свыше этой же температуры, а затем включается электрическое поле, всегда происходит образование только лабиринтной структурной решетки. Трансформация полосовой структурной решетки, образовавшейся при комнатных температурах при вертикальном расположении плоскости ячейки, наблюдается также при дополнительном воздействии на нее магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости ячейки. На рис.3 показана динамика перерастания полосовой структурной решетки в лабиринтную при увеличении магнитного поля: (а) - Н = 0, (б) - Н = 1,6 кА/м, (в) - Н = 7 кА/м. Следует отметить, что при достаточно больших на-пряженностях магнитного поля размер лабиринтов становится настолько малым, что структурная решетка становится близкой к гексагональной. Отметим также, что дифракционная картина в случае действия магнитного поля всегда представляет собой дифракционное кольцо. Выключение магнитного поля (при сохраняющемся электрическом) приводит к росту в течение некоторого времени характерного размера лабиринтной структуры, сопровождаемое пульсациями интенсивности дифракционного кольца и изменением его диаметра. В работах ЧекановаВ.В. [5,6] сообщалось, что свет, отраженный от тонкого слоя магнитной жидкости, заключенного между прозрачными электродами оказывается окрашенным, а действие электрического поля приводит к изменению цвета отраженного

света. Объяснение этого эффекта авторами связывается с изменением показателей поглощения и преломления на границе с электродами в результате изменения концентрации магнетита. Вместе с тем, можно предположить, что это явление обусловлено дифракционными явлениями на сформировавшейся в этом случае структурной решетке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Магнитная гидродинамика. — 1990. — Т. 35.

— №4.— 408 с.

2. Dikansky Yu.I., Shatsky V.P. Elektrohydrody-namics of magnetic emulsions and diffraction light scattering // Fifteen internanional conferenct on magnetic fluids. —Riga. — 1988. —P. 99-100.

3. Диканский Ю.И., Шацкий В.П., Цеберс А.О. Свойства магнитных эмульсий в электрическом и магнитном полях //Магнитная гидродинамика.

— 1990.—Ш.—С. 32-38.

4. Kozhevnikov V.M., Morozova T.F., Malsugenov J. V. Inductivity of a stratum magnetic fluid in electrical and magnetic fields // Nineth international conference on magnetic fluids. — Bremen, 2001.

5. Чеканов В.В. Интерференция света в тонкой пленке на границе с магнитной жидкостью // Всесоюзная конференции по магнитным жидкостям: Тезисы докладов. — М.: МГУ. — 1998.

— Т.2. — С. 128-129.

6. А.С. 1591065 СССР. Электрофорезный индикатор / Чеканов В.В. // Б.И. 1990. —№3.

Нечаева Оксана Александровна, аспирантка кафедры общей физики СГУ. Область научных интересов - электрические свойства магнитных жидкостей.

* * *