CC BY
12ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2006 Физика Вып. 1
Магнитное двойное лучепреломление в бинарном ферроколлоиде
А. Ф. Пшеничников, А. А. Алексеев, Е. В. Лахтина
Институт механики сплошных сред УрО РАН, 614013, Пермь, ул. Королева, 1
Проведены тестовые опыты по обнаружению гипотетического эффекта, состоящего в усилении магнитного двойного лучепреломления в магнитных жидкостях за счет введения в них примесных полимерных молекул. Бинарный ферроколлоид, устойчивый к агрегированию частиц, получен путем растворения полибутадиена в магнитной жидкости на основе магнетита, керосина и олеиновой кислоты в качестве стабилизатора. Обнаружено, что добавка 0.5% по объем)' молекул полимера приводит к полуторакратному усилению сигнала ДЛП в слабых полях
1. Введение
Магнитные жидкости (МЖ), представляющие собой устойчивые коллоидные растворы однодо-менных феррочастиц с характерным размером -10 км, в отсутствие внешнего магнитного поля являются оптически однородными. Однако под действием внешнего поля они приобретают свойства одноосного кристалла с очень сильной (по сравнению с обычными жидкостями) оптической анизотропией. Аномально большое значение постоянной Коттона-Мутона является основной причиной повышенного интереса исследователей к двойному щ-чепреломлению (ДЛП) в магнитных жидкостях. Оно исследовалось в целом ряде теоретических и экспериментальных работ, начиная, по-видимому, с работы [1]. К настоящему времени общепризнанной считается точка зрения, согласно которой причиной ДЛП в магнитных жидкостях является анизометричность частиц - слабое отклонение формы коллоидных частиц от сферической. Преимущественная ориентация длинных осей частиц вдоль магнитного поля приводит к появлению разности показателей преломления лучей, поляризованных вдоль и поперек поля, и делает коллоидный раствор оптически анизотропным.
Несмотря на очень высокое значение постоянной Коттона-Мутона, интегральный эффект ДЛП в магнитных жидкостях оказывается достаточно слабым, так как эксперименты по ДЛП проводятся либо с разбавленными растворами, либо с тонкими (десятые и сотые доли мм) слоями магнитной жидкости. В связи с этим обстоятельством представляет интерес проблема усиления эффекта. На первый взгляд может показаться, что задача решается про-
стым увеличением среднего размера коллоидных частиц. Действительно, в слабых полях разность показателей преломления увеличивается с размером частицы как куб ее объема [3], поэтому даже двукратное увеличение диаметра частиц может усилить сигнал ДЛП на два-три порядка. Проблема, однако, в том, что даже гораздо меньшее увеличение размеров частиц приводит к образованию агрегатов и термодинамической неустойчивости коллоида. Как только отношение энергии диполь-дипольных взаимодействий к тепловой достигает двух - трех единиц, коллоидный раствор расслаивается на слабо и сильно концентрированные фазы. В растворе образуются так называемые капельные агрегаты - капли конденсированной фазы с характерным размером несколько десятков микрон, хорошо видимые в обычный оптический микроскоп [4-6]. Возникновение капельных агрегатов аналогично образованию тумана во влажном воздухе. Оно нарушает однородность раствора на мс-зоскопическом уровне и вызывает сильное дифракционное рассеяние света.
Нами недавно был предложен другой способ повышения оптической анизотропии коллоидного раствора - введение в него достаточно крупных (по сравнению с однодоменными) немагнитных эллипсоидальных частиц [7] или молекул полимера, находящихся в каубковом состоянии [8]. Размеры всех структурных элементов, входящих в такой бинарный коллоидный раствор, малы по сравнению с длиной волны, поэтому ферроколлоид оптически однороден. В первом случае усиление ДЛП происходит за счет ориентации длинных осей примесных частиц вдоль магнитного поля из-за разницы в "размагничивающих" коэффициентах
© А. Ф. Пшеничников, А. А. Алексеев, Е. В. Лахтина, 2006
35
вдоль и поперек оси эллипсоида. Во втором случае усиление ДЛГ1 происходит за счет деформации и вытягивания полимерных клубков вдоль поля. В данной работе описаны тестовые опыты с раствором полибутадиена (бутилкаучука) в магнитной жидкости, приготовленной на основе магнетита и керосина. Основные усилия были направлены на модернизацию установки и определение параметров раствора, обеспечивающих одновременно его агрегативную устойчивость и достаточный уровень сигнала ДЛП.
2. Детали эксперимента
Традиционная схема экспериментальной установки для измерения сигнала ДЛП была модернизирована за счет включения в нее полосового усилителя и амплитудного детектора (рис. 1). Модулированный луч лазера Ь с длиной волны 633 нм, радиусом пучка около 1.3 мм и мощностью 10 мВт направлялся перпендикулярно тонкому слою (Б) магнитной жидкости, помещенной в зазор электромагнита (М). Контроль внешнего поля осуществлялся при помощи управляемого стабилизированного источника тока (.1) и амперметра (А). Под действием магнитного поля плоскость поляризации лазерного луча поворачивалась на некоторый угол, поворот плоскости поляризации регистрировался анализатором (Ап) и фотодиодом (Р) ФД-265А. Сигнал с фотодиода поступал на полосовой усилитель (II), настроенный на частоту модуляции, а затем на амплитудный детектор (Б), служащий для получения постоянного напряжения, пропорционального сигнал)' ДЛП.
Рнс. 1. Принципиальная схема установки для исследования магнитного двулучепреломления
Полосовой усилитель был выполнен по схеме биквадратного активного фильтра с добротностью £ = 25, шириной полосы пропускания 10 Ги и коэффициентом усиления 5000. Амплитудный детек-
тор выполнен на микросхеме А0536 - высокоточном преобразователе средневыпрямленного напряжения в постоянное напряжение с диапазоном преобразования 50 дб. Напряжение на выходе амплитудного детектора было пропорционально сигналу ДЛП. Включение в схем}' полосового усилителя и амплитудного детектора позволяло работать при дневном освещении (сигнал фоновой засветки фотодиода отсекался полосовым усилителем), проводить исследования в слабых полях и в слабо концентрированных ферроколлои-дах и повысить точность измерения за счет "вырезания'" шумов амплитудным детектором и устранения дрейфа нуля. В качестве фотоэлемента использован фотодиод марки ФД-265А, имеющий малый темновой ток.
Электромагнит, предназначенный для опытов с ДЛП в магнитных жидкостях, должен обеспечивать достаточною напряженность и хорошую однородность магнитного поля в рабочем зазоре на частотах до десятков кГц. Использовавшийся в данной работе электромагнит был выполнен по симметричной схеме из восьми П-образных фер-ритовых сердечников с магнитной проницаемостью 2000, склеенных в единый сердечник с внутренним зазором 1см (рис. 2).
V-/ V*/
г- Л -П Г- л
X
н' л
V
/ \
- У - 0 - У -
/ \ / \
Рис. 2. Схема электромагнита, ¿у - Ь4 - обмотки, 5 - ячейка с магнитной жидкостью, О - ось луча лазера, И - вектор напряженности магнитного поля
После изготовления электромагнита были определены экспериментально его характеристики: зависимость напряженности магнитного поля от силы тока в катушках - Ь4 (рис. 3) и зависимость величины напряженности магнитного поля Н от координаты х (рис. 2, 4). Напряженность магнитного поля в зазоре определялась с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-8. Благодаря очень малой коэрцитивной силе феррита и относительно широкому воздушному зазору электромагнита зависимость напряженности поля Н растет пропорционально силе тока I. Таким образом, для
Двойное лучепреломление в бинарном ферроколлоиде
37
50 л 40 30 20 -10 -
о
Н, кА/м
/, А
О
1
Рис. 3. Напряженность магнитного поля в зазоре электромагнита в зависимости от силы тока в катушках
того чтобы контролировать величину напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита, достаточно было контролировать силу тока в намагничивающих катушках. Рис. 4 демонстрирует степень неоднородности магнитного поля в зазоре. В пределах рабочей области неоднородность напряженности магнитного поля не превышала одного процента, что вполне соответствовало задачам эксперимента.
29.0-гН. кА/м
28 5-
28.0-1
27.5-
рабочая область
х, мм
10
-Г"
15
20
Рис. 4. Распределение напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита
Для приготовления бинарного ферроколлоида использовалась магнитная жидкость на основе магнетита и керосина с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Она не содержала крупных частиц, способных агрегировать в отсутствие магнитного поля. Признаком отсутствия агрегатов служило постоянство действительной части магнитной восприимчивости и малость мнимой части (порядка 0.01) в низкочастотной области спектра (до 30 кГц). Динамическая восприимчивость измерялась мостом взаимной индуктивности по методике, описанной в [9, 10]. Равновесная восприимчивость раствора в слабых полях была равна 0.24 сд. СИ. Полибутадиен растворялся в нагретой до
100°С магнитной жидкости, которая потом охлаждалась до комнатной температуры
3. Результаты опытов
При объемной доле полибутадиена выше 2-3% получавшиеся растворы оказались мутными из-за его недостаточной растворимости и были забракованы. Прозрачный бинарный раствор, устойчивый к агрегированию в слабых и умеренных магнитных полях, был получен при концентрации полибутадиена 0.5%. Равновесная восприимчи-вость такого ферроколлоида уменьшилась по сравнению с исходной МЖ лишь в меру разбавления, т.е. на те же 0.5%. Частотные зависимости динамической восприимчивости для базовой магнитной жидкости и бинарного раствора приведены на рис. 5. Как видно из рисунка, в обоих случаях заметная дисперсия восприимчивости наблюдается только на частотах в окрестности 10 кГц и выше. Это озна-
0.25
0.2 -
0.15 -
0.1 -
0.05 -
0
г
+ + +
+ +
t I tllltll »I »I
> д
2 ♦ ♦
I "I I IГШ-1—I I 11 lll|—I
10 102 103 10" 10s
f, Гц
Рис. 5. Магнитная восприимчивость бинарного ферроколлоида. Кривая 1 соответствует действительной части восприимчивости, кривая 2 мнимой. "Кружки" соответствуют базовой магнитной жидкости, "крестики" - бинарному раствору
чает, что характерные времена релаксации магнитных моментов частиц имеют порядок 10's с, а размеры частиц с учетом защитной оболочки находятся в диапазоне 15-20 нм. Так как характерные размеры кластеров, образующихся в магнитных жидкостях в результате межчастичных взаимодействий, находятся в интервале от 50 до 80 нм [3], то рис. 5 свидетельствует об отсутствии кластеров как в магнитной жидкости, так и в бинарном растворе. Таким образом, образование кластеров, как причина существенного изменения
оптических свойств раствора, в дальнейшем может быть исключено из рассмотрения.
Результаты опытов по квазистатическому двойному лучепреломлению в тонких (0.2 мм) слоях магнитных жидкостей приведены на рис. 6. По оси абсцисс на графике отложен квадрат напряженности поля, так как согласно расчетам [7] в слабых полях (до десяти кА/м) сигнал ДЛП должен увеличиваться с напряженностью поля по квадратичному закону. Рис. 6 подтверждает этот вывод. Главный результат проведенных опытов состоит в том.
300 и, мВ
2
200 -
100 -
IV Н2 (кА/м)2
0-р-1-1-т-1 т-1-т |-1-1
О 400 800 1200 1600 2000
Рис. 6. Сигнал ДЛП для базового раствора (кривая 1) и для бинарного ферроколлоида (2)
что наличие в магнитной жидкости небольшого количества примесных полимерных молекул действительно может существенно повысить сигнал ДЛП. Как видно из графиков на рис. 6, в случае бинарного раствора наклон начального участка кривой и - Ь\И~) примерно в полтора раза больше, чем в случае обычной магнитной жидкости. Дальнейшее усиление сигнала ДЛП возможно, по-видимому. за счет использования полимерных мо-
лекул с большим молекулярным весом и за счет увеличения в растворе концентрации магнитных частиц с одновременным переходом к более тонким слоям, чтобы избежать сильного поглощения света.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-02-96028), INTAS (грант № 03-51- 6064) и Фонда гражданских исследований и развития для стран СНГ (CRDF), проект РЕ-009-0.
Список литературы
1. Скибин Ю. И., Чеканов В. В., Райхер Ю. Л. II Журн. эксперимент, и теор. физ. 1977. Т. 22, вып. 3. С. 949.
2. Haves С. F., Hwang S. R. Il J. Coll. Interf. Sei. 1977. Vol. 60. P. 443.
3. Бузмаков В. M., Пшеничников A. Ф. Il Коллоидный журнал. 2001. T. 63. С. 305.
4. Бибик Е. Е., Лавров И. С. И Там же Л 970. Т. 32. С. 483.
5. Peterson Е. А., Kruger D. A. II J. Coll. Interf. Sei. 1977. Vol. 62. P. 24.
6. Пшеничников А. Ф., Шурубор И. 10. II Изв. АН СССР .Сер. физическая Л 987. Т. 51, N 6. С. 1081.
7. Пшеничников А. Ф., Соснин П. А. II Журн. эксперимент, и теор. физ. 2002. Т. 122, вып. 2.
С. 320.
8. Алексеев А. А., Пшеничников А. Ф. 14 Зимняя школа по механике сплошных сред: тезисы докл. Пермь. 2005. С. 15.
9. Пшеничников А. Ф. II Неравновесные процессы в магнитных суспензиях /УНЦ АН СССР. Свердловск, 1986. С. 9.
10. Пшеничников А. Ф. Магнитные свойства концентрированных ферроколлоидов. Дис. ... докт. физ.-мат. наук / Институт физики металлов. Екатеринбург, 1992.
