КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 77, № 1, с. 24-29
УДК 541.182:537.84
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФОРЕЗА КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ МАГНЕТИТА В КЕРОСИНЕ В ПОЛЕ ПРИЭЛЕКТРОДНОГО ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА © 2015 г. К. В. Ерин
Северо-Кавказский федеральный университет, Институт математики и естественных наук
355009 Ставрополь, ул. Пушкина, 1 E-mail: exiton@inbox.ru Поступила в редакцию 11.06.2014 г.
Исследованы особенности электрооптического эффекта изменения прозрачности слабопроводящих магнитных коллоидов на основе керосина в приэлектродной области при воздействии импульсного электрического поля. Построена модель эффекта, учитывающая влияние на электрофоретическое движение коллоидных частиц параметров приэлектродного объемного заряда. Рассчитаны временные зависимости прозрачности, которые оказались в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными.
DOI: 10.7868/S0023291215010073
ВВЕДЕНИЕ
Исследования процессов зарядообразования и проводимости жидких диэлектриков имеют существенное фундаментальное и прикладное значение. Последнее связано с созданием разнообразных систем электроочистки топлив, масел и других технических диэлектриков [1], а также с разработкой целого ряда электрогидродинамических устройств (ЭГД-генераторов, насосов, конвекторов и др.) [2]. В связи с тем, что в технических жидких диэлектриках всегда содержится некоторое количество примесных ионов, в литературе широко используется термин слабо-проводящие жидкие диэлектрики [3]. В отличие от идеальных жидких диэлектриков, в слабопро-водящих присутствуют свободные заряды, а для соотношения времени максвелл-вагнеровской релаксации т и характерного времени наблюдения выполняется условие т/?0 = < 1, физиче-
ст?0
ски характеризующее отношение тока смещения к току сквозной проводимости [3]. Здесь б — диэлектрическая проницаемость среды, а — ее проводимость, б 0 — электрическая постоянная. Особую роль в таких системах играет приэлектродный объемный заряд, формирование и возможная структура которого являются предметом целого ряда исследований [1, 4—6]. Типичным представителем слабопроводящих жидких диэлектриков являются магнитные коллоиды, представляющие собой устойчивые коллоидные растворы наночастиц ферромагнитных окислов в различных углеводородных жидкостях (керосине, трансформаторном и вакуумном маслах, толуоле и др.) с относитель-
но небольшой концентрацией твердой фазы [7]. Наличие магнитных коллоидных частиц дает системе возможность более интенсивно взаимодействовать с электрическим и магнитным полями. В результате в коллоидных растворах наблюдаются необычные для жидких диэлектриков электрофизические и оптические эффекты, такие как изменение цвета при отражении от поверхности электрода [8], образование в тонком слое магнитного коллоида развитой системы упорядоченных микрокапельных агрегатов [9], формирование самоорганизованных динамических структур — автоволн [10], периодические изменения прозрачности и оптической анизотропии [11]. В работе [12] описан один из таких эффектов — кратковременное изменение прозрачности магнитного коллоида вблизи поверхности электрода при включении электрического поля. Была предложена интерпретация эффекта изменения прозрачности в при-электродном слое, связанная с электрофоретиче-ским движением заряженных наночастиц от поверхности электрода, которое имеет характер одиночной концентрационной волны. Оценка электрофоретической подвижности частиц, произведенная в [12], дала удовлетворительное согласие с расчетом по формуле Эйнштейна—Стокса.
В настоящей работе продолжено исследование особенностей приэлектродного электрооптического эффекта с целью выяснения влияния на электрофоретическое движение частиц параметров приэлектродного объемного заряда.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для электрооптических измерений в приэлек-тродном слое использовалась оптическая установка, аналогичная по характеристикам описанной в [12]. Исследовался эффект изменения прозрачности при воздействии импульса электрического поля прямоугольной формы: длительность импульса — 2 с, время включения — менее 0.01 с, амплитуду напряжения на электродах ячейки можно было регулировать в пределах 0.5—10 кВ. Регистрировали интенсивность света гелий-неонового лазера ГН-2П, прошедшего через кювету с образцом вдоль поверхности плоского медного электрода. Длина стеклянной кюветы — 10 мм, расстояние между электродами — 4 мм.
Объектом исследований являлись коллоиды магнетитовых частиц в керосине с объемной концентрацией твердой фазы 0.01 и 0.001%. Образцы такой концентрации получали разбавлением исходного магнитного коллоида на основе керосина производства НИПИ Газпереработки (г. Краснодар) с концентрацией твердой фазы около 25% очищенным керосином. Характеристики образцов представлены в таблице.
Эффект изменения прозрачности в приэлек-тродном слое состоит в следующем: после включения поля интенсивность прошедшего света первоначально уменьшается, достигает минимума в течение 0.05—0.1 с (в зависимости от величины приложенного к электродам ячейки напряжения и температуры), а затем снова достигает близкого к первоначальному значения (рис. 1). Эффект наблюдается только в приэлектродном слое (на расстояниях менее 1 мм от поверхности электрода). Видно, что кривые изменения прозрачности
Характеристики образцов
№ образца Объемная концентрация магнетита Су мПа с б (на частоте 30 Гц) пСм/м
1 0.001% 0.9 2.20 7.5
2 0.01% 0.91 2.25 25.9
имеют характерную особенность — несимметричный характер, усиливающийся с ростом напряженности поля (см. вставку на рис. 2), т.е. время, за которое достигается минимум прозрачности ^ существенно меньше времени необходимого для ее восстановления до уровня, близкого к первоначальному. На рис. 2 показаны зависимости параметра несимметричности кривых изменения прозрачности (?2/?1) от амплитуды приложенного к электродам ячейки напряжения для двух исследованных образцов.
Причиной наблюдаемой несимметричности кривых электрооптического эффекта может быть, по нашему мнению, неоднородность электрического поля в приэлектродной области, характерный размер которой сравним с диаметром лазерного луча.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В работе [12] показано, что наблюдаемый эффект может быть интерпретирован как прохождение через область лазерного луча одиночной концентрационной волны наночастиц магнетита, заряженных вблизи поверхности электрода одноименно с ним. Прохождение волны приводит
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
?, с
Рис. 1. Кинетика изменения прозрачности в приэлек-тродном слое в образце с концентрацией магнетита 0.001% при различных температурах: 1 — Т = 283, 2 — 290, 3 — 328 К; амплитуда напряжения на электродах 2.2 кВ.
?2Л 12
10
8
6
4
10 и, кВ
Рис. 2. Зависимости степени несимметричности кинетики изменения прозрачности ^2/^1 от амплитуды импульса электрического поля при разных концентрациях частиц магнетита: 1 — Су = 0.001, 2 — 0.01%; на вставке дан пример определения времен спада ^ и нарастания t2 эффекта.
V
Лазерный луч
1 2 ^
Концентрационная волна
/Е (?) _
ехр
-2.3О
пЕ (г)
-1
(1)
100 ~ |ехр [ - —^ Уг2 - х2йх,
т = 10
Г11(?) + 12(?) ехрГ-2.3^0 Ы - 1 | | + Iз(?)
100 К К К П0
Электроды
Рис. 3. Схема для построения модели изменения прозрачности в электрическом поле.
к локальному изменению оптической плотности и, соответственно, уменьшению регистрируемой прозрачности системы (рис. 3).
В соответствии с законом Бугера—Ламберта— Бера и при условии, что дисперсионная среда слабо поглощает свет, оптическая плотность раствора пропорциональна концентрации коллоидных частиц О ~ п. В этом случае изменение интенсивности прошедшего света со временем возможно при локальном изменении концентрации коллоидных частиц магнетита в области прохождения лазерного луча.
где О0 = 0.43арп01 — оптическая плотность раствора в отсутствие электрического поля (а р — сечение ослабления света наночастицей магнетита, п0, Е — числовые концентрации частиц, I — длина пути света в среде).
Таким образом, изменение интенсивности света определяется параметрами концентрационной волны (ширина, скорость распространения и концентрация частиц в волне). Величины, пропорциональные интенсивностям света в выражении (3), могут быть рассчитаны из геометрических соображений с учетом перемещения области концентрационной волны по сечению луча:
/,.(0 = [ехр Г-2x2Vг2 - (х(г))2йх,
» \ "и; /
(4)
V ^
В принятой модели можно считать, что регистрируемая интенсивность прошедшего света пропорциональна интенсивности падающего лазерного луча с некоторым коэффициентом ослабления /0 = /00 ехр(-2.3О0). Интенсивность падающего излучения / 00, с учетом того что поперечное распределение интенсивности в пучке одномодово-го лазера описывается функцией Гаусса [13], можно представить в виде
(2)
где ц> — характерный параметр полуширины пучка (в наших опытах м> = 0.3 мм). Прохождение концентрационной волны приводит к частичному перекрыванию сечения лазерного луча и, следовательно, изменению интенсивности прошедшего света.
Регистрируемое в опыте относительное изменение интенсивности света в этом случае можно представить в виде суммы трех слагаемых, соответствующих областям сечения лазерного луча, показанным на рис. 3:
где г — размер лазерного луча, а и Ь — параметры интегрирования для разных областей сечения лазерного луча, I = 1, 2, 3. Для области 1 на рис. 3 параметры интегрирования а = —г, Ь = х(1) — d, где d — ширина концентрационной волны. Зависимость координаты переднего фронта концентрационной волны от времени х(?) может быть найдена из следующих соображений.
Будем считать коллоидную систему монодисперсной, а электрический заряд всех частиц одинаковым. В этом случае все частицы имеют равную электрофоретическую подвижность ц и в электрическом поле постоянной напряженности должны двигаться с одинаковой скоростью:
— = цЕ. йг
Однако в приэлектродной области локальная напряженность электрического поля, вообще говоря, изменяется и поэтому волна движется с непостоянной скоростью. Электрооптические исследования распределения напряженности электрического поля в приэлектродной области [14] показывают,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.