CC BY
49
Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л.
«Особенности электропроводности магнитной...»
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В НЕОДНОРОДНОМ
МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Р.Г. Закинян, Ю.Л.Смерек
THE PECULIARITIES OF MAGNETIC LIQUID ELECTROCONDUCTIVITY IN HOMOGENEOUS MAGNETIC FIELD
R.G. Zakinyan, J.L. Smerek
The influence of homogeneous magnetic field upon magnetic liquid electroconductivity is investigated. It is shown, that the of resistance of the cell with magnetic liquid changes subject to reciprocal orientation of magnetic field gradient and the direction of electric current; this can reflect the presence of charge of a magnetite particle.
Исследуется влияние неоднородного магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости. Показано, что в зависимости от взаимной ориентации градиента магнитного поля и направления электрического тока сопротивление ячейки с магнитной жидкостью меняется, что может отражать факт наличия заряда у частицы магнетита.
УДК 537.3:541.182.4/6
Y
Магнитные жидкости - ультрадисперсные коллоиды ферро- и ферримагнети-ков при воздействии на них однородного магнитного поля приобретают анизотропию макроскопических свойств. Очевидно, её появление следует связывать с ориентаци-онным 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 [1]. Вместе с тем ожидаемого существенного влияния однородного магнитного поля на электрические свойства магнитных жидкостей до настоящего времени не обнаружено [2].
С другой стороны, в неоднородном магнитном поле на магнитный момент частицы магнетита действует сила, определяемая следующим выражением:
Гм = (р м -V) В, С1)
где р м - магнитный момент частицы магнетита.
При помещении ячейки с магнитной жидкостью в неоднородное магнитное поле, под действием силы (1) возникнет поток частиц магнетита 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 адсорбируют из объема дисперсионной среды ионы определенного знака (потенциа-
43/2005
Вестник Ставропольского государственного университета
лопределяющие ионы) [3], на электроде с повышенной концентрацией магнетита должно происходить накопление заряда определенного знака, а в самой ячейке - разности потенциалов. Однако в неоднородном магнитном поле вместе с заряженными частицами магнетита будут дрейфовать ионы противоположного с ней знака (противоио-ны) под действием электростатических сил притяжения. 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.
Экспериментальная установка представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки по исследованию поведения магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле.
В эксперименте магнитное поле создавалось с помощью электромагнита 1, а измерительная ячейка 2, изготовленная в виде цилиндрической кюветы с электродами, расположенными в основании цилиндра, помещалась в область неоднородности магнитного поля. Направления градиентов магнитного поля указаны стрелками 4 и 5. Зна-
чения градиента магнитного поля в месте нахождения кюветы достигали 3,2 Тл/м. Изменение направления градиента магнитного поля достигалось сменой положения кюветы. Измерение разности потенциалов на электродах ячейки осуществлялось цифровым вольтметром В7-37 (3). Измерение сопротивления ячейки с магнитной жидкостью производилось цифровым омметром Щ 34 (3). Измерение тока в ячейке с магнитной жидкостью с малой концентрацией магнитной фазы осуществлялось электрометром В7-30. Приборная погрешность измерений составляла менее 1 %.
При помещении кюветы с магнитной жидкостью на основе керосина в неоднородное магнитное поле не наблюдалось образования разности потенциалов на электродах ячейки. При смене направления градиента магнитного поля, показания приборов не изменялись. Следовательно, наше предположение, высказанное выше, справедливо для случая магнитной жидкости на основе керосина.
Несмотря на результат, полученный в эксперименте по определению разности потенциалов на электродах ячейки с магнитной жидкостью на основе керосина, магни-тофоретическое движение частиц магнетита может проявиться при прохождении электрического тока в ячейке, поскольку в этом случае противоионы находятся не только под действием кулоновской силы со стороны заряда частиц магнетита, но и внешнего электрического поля.
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 ф = 17,1 %. Данные зависимости представлены на рисунке 2. Из графика видно, что кривая зависимости сопротивления магнитной жидкости от величины градиента
Закинян Р.Г., Смерек Ю.Л.
«Особенности электропроводности магнитной...»
Я, МОм
180
160-
140"
grad В
Рис. 2. Зависимость сопротивления ячейки с магнитной жидкостью с объемной концентрацией ф = 17,1% от градиента неоднородного магнитного поля:
1 -§гаё В ТТ Е, 2 - В Е.
магнитного поля проходит через максимум. При этом кривая 1 соответствует случаю §гаё В ТТ Е, а кривая 2 соответствует случаю ^аё В и Е .
Для данной концентрации относительное изменение сопротивления ячейки при различном направлении градиента магнитного поля достигает 4,3 %. Случайная погрешность измерений не превышала 1 %.
Значение сопротивления ячейки с магнитной жидкостью в неоднородном магнитном поле, концентрация магнитной фазы в которой составляла ф = 2 % , были определены при измерении тока в ячейке на линейном участке вольтамперной характеристики. 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 ф = 2 %
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 возникает сила, под действием которой частицы магнетита втягиваются в область сильного поля. В зависимости от заряда частицы магнетита, обусловленного потенциалопределяющими ионами, вклад, вносимый этой силой в результирующую силу, определяемую электрический ток в магнитной жидкости, будет способствовать движению заряда, переносимого частицами магнетита, или противодействовать ему. При этом участие противоионов в движении частиц магнетита под действием неоднородного магнитного поля сопровождается действием внешнего электрического поля, что способствует разделению этих зарядов в объеме ячейки. Таким образом, судя из эксперимента (рис. 2), заряд частиц магнетита должен быть отрицательным.
Используя результаты проведенных экспериментальных исследований, можно сделать предположение о носителях заряда в магнитной жидкости; по-видимому, таковыми являются как примесные ионы, содержащиеся в дисперсионной среде, так и сами частицы магнетита, приобретающие заряд в результате адсорбции на их поверхности части ионов определенного знака из дисперсионной среды.
Сформулированные выводы о носителях заряда в магнитных жидкостях, позволяют предложить следующий механизм электропроводности магнитного коллоида. Электрическая проводимость магнитной жидкости, как любой коллоидной системы [4], связана с несколькими способами переноса заряда в электрическом поле: первый из них определяется движением частиц магнетита с адсорбированными на их поверхности потенциалопределяющими ионами. Второй связан с миграцией ионов, располагающихся вблизи заряженной частицы магнетита, имеющей как индуцированный во внешнем электрическом поле заряд, так и несущей на себе заряд потенциалопределяющих ионов. Потенциал электрического поля
0
1
2
3
43/2005
Вестник Ставропольского государственного университета
вблизи частицы магнетита меняется за счет наведенного дипольного момента. При этом ионы, движущиеся вблизи такой частицы оказываются в несколько иных условиях по сравнению с объемными (находящимися вдали от поверхности заряженной частицы магнетита). А именно, миграция их (проти-воионов) вблизи частицы магнетита, происходит в результирующем поле, создаваемом как внешним электростатическим полем, так и полем наведенного диполя. Также движение ионов, находящихся вдали от поверхности заряженной частицы магнетита, будет вносить вклад в электропроводность магнитной жидкости. Первые два механизма в коллоидной химии называют поверхностной проводимостью раствора.
На основании представлений об электропроводности коллоидных систем, можно получить выражение для удельной проводимости магнитной жидкости. Для этого необходимо решить задачу по определению потенциала вблизи проводящей частицы, окруженной диэлектрической оболочкой стабилизирующего ПАВ, осложненной потоком ионов по поверхности частицы, в сла-бопроводящей дисперсионной среде. Выражение для искомого потенциала имеет вид:
Фо (r, е) = Е
х собЫ 1 -
2ес + ек
Е0сЪ
(2)
Ъ + 2а
где к =
- безразмерный параметр,
Ъ3 - а3
зависящий от размеров частицы и толщины диэлектрического слоя олеиновой кислоты, ес - диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды, е - диэлектрическая проницаемость олеиновой кислоты.
Далее, используя выражение (2), получено выражение для удельной проводимости магнитного коллоида:
с „ Яе1
с =—+ 3фст •- , ^ 1 - Яе1
(3)
где с - удельная проводимость дисперсион-
^ = 1
ной среды, структурный коэффициент проводящей час-
Гл 3 ек -ес ^
1 —ф-—
ч 2 2ес +еку
тицы, окруженной диэлектрической оболоч-
с2к-1
кой в дисперсионной среде, Я.е1 =
сЪц
выражение, определяющее поверхностную проводимость коллоидного раствора. В (3)
введено обозначение т = 1--— - па-
2ес + ек
раметр, зависящий от диэлектрических
свойств дисперсионной среды (е с) и слоя
олеиновой кислоты ( е ).
Таким образом, в магнитной жидкости на основе керосина наблюдается анизотропия электропроводности в неоднородном магнитном поле в зависимости от направления градиента магнитного поля по отношению к направлению тока в ячейке, из чего можно сделать вывод, что частицы магнетита являются носителями заряда в магнитной жидкости и вносят определенный вклад в электропроводность системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чеканов В.В., Кожевников В.М., Падалка В.В., Скибин Ю.Н. Двулучепреломление магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях // Магнитная гидродинамика.
- 1985. - № 2. - С. 79 - 83.
2. Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнитные жидкости. - Рига: Зинатне, 1989. -386 с.
3. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии.
- Ленинград.: Химия, 1984. - 367 с.
4. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем.
- Киев: Наук. думка, 1975. - 246 с.
Об авторах
Закинян Роберт Гургенович, профессор кафедры общей физики, доктор физико-математических наук, сфера научных интересов
- физика магнитных жидкостей.
Смерек Юлия Леонтьевна, ассистент кафедры теоретической физики, сфера научных интересов
- физика магнитных жидкостей.
Г X
Ъ
ЬК — ь
3
Г
