КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 6, с. 747-752
УДК 541.182
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ДИПОЛЬНОМ МОМЕНТЕ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ МАГНЕТИТА В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ
© 2007 г. К. В. Ерин
Ставропольский государственный университет, 355009 Ставрополь, ул. Пушкина, 1 Поступила в редакцию 09.02.2007 г.
Исследовано влияние переменного и импульсного полей на электрическое двойное лучепреломление коллоидных частиц магнетита в керосине. Обнаружено, что в переменном электрическом поле с частотой более 15 Гц на ориентацию частиц магнетита значительное влияние оказывает постоянный дипольный момент. Обсуждается механизм образования постоянного электрического диполь-ного момента у коллоидных частиц магнетита в слабопроводящих жидкостях.
ВВЕДЕНИЕ
При воздействии электрических полей на коллоидные системы, содержащие частицы из сильномагнитных материалов, наблюдается ряд электрооптических эффектов. В отличие от коллоидных систем с диа- и парамагнитными частицами, в таких системах достаточно легко зарегистрировать не только электрооптические, но и магнитооптические эффекты, причем при некотором соотношении напряженностей полей, легко достижимом в эксперименте, величина эффектов может быть приблизительно равной. Исследования двойного лучепреломления (ДЛП) в коллоидной системе магнетитовых частиц при одновременном действии электрического и магнитного полей были впервые проведены в [1]. Было обнаружено, что при совместном действии скрещенных электрического и магнитного полей ДЛП может исчезать. В работе [2] были продолжены исследования ДЛП в переменных полях и предложен механизм исчезновения ДЛП, основанный на ориентации однодоменных частиц в электрическом и магнитном полях.
Эффект компенсации двойного лучепреломления в скрещенных электрическом и магнитном полях послужил основой для создания метода определения напряженности электрического поля в жидких диэлектриках [3]. Позднее методами динамического рассеяния света и двойного лучепреломления в импульсном электрическом поле [3-5] было показано, что электрооптический эффект в дисперсной системе магнетит-керосин определяется агрегатами частиц магнетита размером ~100 нм. В работах [1-4] предполагалось, что электрический дипольный момент коллоидных частиц магнетита является наведенным и определяется объемными свойствами частиц. Специальных исследований, направленных на выяснение природы электрического дипольного момента
частиц, не было проведено. Для практического применения электро- и магнитооптических эффектов магнитных коллоидов в системах визуализации и мониторинга электрических полей в изолирующих жидкостях знание механизма ориентации частиц в электрическом поле, определяемого типом и величиной электрического дипольного момента, имеет решающее значение. Цель настоящей работы - исследование электрического дипольного момента коллоидных частиц магнетита.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования электрического ДЛП были проведены на установке, схематически изображенной на рис. 1. Ее оптическая часть является стандартной и аналогична описанной в [4]. Для создания импульсного электрического поля использовали генератор высоковольтных прямоугольных импульсов [4], а для создания переменного электрического поля - высоковольтный повышающий трансформатор, первичная обмотка которого была подключена к генератору Г3-108. Объектом исследования служил коллоидный раствор магнетита в керосине (объемная концентрация магнетита 0.05%). Для стабилизации дисперсии применяли олеиновую кислоту. Выбор низкой концентрации магнетита обусловлен необходимостью проведения оптических измерений в относительно толстых слоях. Такую концентрацию образца получали путем разбавления очищенным керосином исходной магнитной жидкости производства НИПИ Газпереработки (г. Краснодар) с концентрацией ~25%. Образцы помещали в электрооптические ячейки прямоугольной формы с электродами (расстояние между электродами 3 мм).
Основным параметром ДЛП является разность показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей: Ди = иц - п±. При иссле-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
довании ДЛП, как правило, измеряют интенсивность света, прошедшего через скрещенные поляроиды, между которыми расположен объект. Наиболее общая формула, описывающая интенсивность прошедшего света в этой конфигурации, была предложена Хлебцовым [6]:
Ап/Ап0 1.0 г о
10
I = - (ехр (—ти) + ехр (-т±))х
х
81П' 2) + -Лт-
ео8 8
(1)
100
1000
Рис. 2. Зависимости постоянной составляющей ДЛП от частоты поля по данным эксперимента (точки) и расчета. R = 0.1 (1) и ^ (2).
где: 8 - разность фаз необыкновенного и обыкновенного лучей, которая пропорциональна разности показателей преломления Ал, Тц, Т± - оптические толщины среды для света, поляризованного вдоль и поперек поля соответственно. В случае, когда дихроизмом системы можно пренебречь, т = Т± = Т,
формула (1) упрощается:
!0ехр (- т) 81и2 Г 8
(2)
10000 ш/2п, Гц
В условиях, когда изменение прозрачности системы под действием поля пренебрежимо мало, интенсивность света, прошедшего скрещенные поляризаторы, будет зависеть только от разности фаз световых колебаний. Проведенные исследования показали, что в диапазоне напряженностей электрических полей 0-2.5 МВ/м прозрачность образцов не изменяется в пределах ошибок эксперимента, а разность фаз составляет достаточно малую величину, так что 1/10 ~ 82.
Согласно развитой в работах Стоилова, О'Конски и др. [7, 8] теории электрооптических эффектов в дисперсных системах, частотные характеристики величины эффекта в переменном поле, а также форма электрооптического отклика системы на прямоугольный импульс поля различаются в зависимости от того, является ли электрический дипольный момент частиц постоянным или индуцированным.
Исследования ДЛП и интенсивности рассеянного света в переменном и импульсном электрических полях позволяют получить представление о типе дипольного момента коллоидных частиц магнетита. На рис. 2 и 3 приведены эксперимен-
Рис. 3. Зависимости фазы ДЛП от частоты поля по данным эксперимента (точки) и расчета. R = 0.1 (1) и ^ (2).
Рис. 4. Изменение ДЛП при воздействии прямоугольного импульса электрического поля длительностью 1.05 мс по данным эксперимента (точки) и расчета. R = 0.1 (1) и ^ (2).
тальные зависимости от частоты поля постоянной составляющей и фазы ДЛП в электрическом поле эффективной напряженностью 1 МВ/м.
На рис. 4 показано, как ДЛП системы изменяется под действием импульса длительностью 1.05 мс и напряженностью 1 МВ/м. Релаксация ДЛП после выключения электрического поля, а также частотная зависимость электрооптического эффекта позволяют определить коэффициент вращательной броуновской диффузии коллоидных частиц. В данном случае значения коэффициента вращательной диффузии, полученные из спада сигнала и частотной зависимости, оказываются достаточно близкими: D = 2200 ± 150 с-1.
Одним из наиболее эффективных способов определения типа электрического дипольного момента является исследование электрооптического эффекта в поле прямоугольных импульсов переменной полярности (меандр или "П-поле"). Для исследования дипольного момента разнообразных коллоидных частиц этот метод был впервые применен группой Толстого [9]. Теория переходных процессов в поле скачкообразно изменяющегося направления была развита в работе [10]. Для создания на электродах электрооптической ячейки высокого напряжения переменной полярности мы подключали один из электродов ячейки к источнику постоянного напряжения 2 кВ, а на второй электрод подавали импульсы прямоугольной формы с амплитудой около 4 кВ и скважностью равной 1. Таким образом, в моменты нарастания и спада импульсов направление электрического поля в ячейке достаточно быстро (за 10-20 мкс) изменяется на противоположное. На рис. 5 показано, как величи-
на ДЛП изменяется во времени при смене направления электрического поля.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Вопрос о дипольном моменте коллоидных частиц связан с более общей проблемой взаимодействия электромагнитного поля с дисперсными системами. В большинстве случаев электрооптические явления имеют ориентационную природу, и дипольный момент играет ключевую роль в их возникновении, поскольку взаимодействие электрического поля с электрическим диполем приводит к появлению у последнего механического вращающего момента.
Потенциальную энергию коллоидной частицы, обладающей анизотропией электрической
t, мс
Рис. 5. Изменение ДЛП в результате воздействия прямоугольных импульсов чередующейся полярности (показаны на вставке).
поляризуемости у и постоянным дипольным моментом ц, который составляет угол 0 с направлением поля, можно рассчитать по уравнению [7]
У Е 2 и = - ЦЕ008 0 --¡"2-008 0.
(3)
Для описания электрооптических эффектов в системах с частицами, обладающими как постоянным дипольным моментом, так и анизотропией электрической поляризуемости, используют параметр R = ц2/у^.
Величину электрического ДЛП в переменном поле (или динамического ДЛП) представляют в виде суммы двух компонентов [8]:
Лп = Лп81 + Лпа11оо8 (2 ю I - ф), (4)
где Лп^ - постоянная составляющая, Лпа11 =
= 7(Лп:14)2 + (Лп"'и)2 - составляющая, изменяющаяся с удвоенной по отношению к полю частотой, ф - фазовый сдвиг.
Лпк1 = Лпо
1 +
Я
1 + ю
4 Б
1
Я + 1'
(5)
Лпо Я (1- 2 ю 6 Б2 , 1
Я + 1 I1+Б (1 + 2 \ ю ] 9 Б2) 1 + 4 9 Б
(6)
Л ' Лп0
Лп^ = ——-
. (7)
1
ю
4 Б2
1
ю
9 Б2
1
ю
9 Б2
Фазовый сдвиг определяется следующим образом:
Л п'ц
18ф =
Лп
(8)
аИ
случае). На рис. 2 и 3 приведены соответствующие зависимости для R = 0 и R —► Сравнение экспериментальных данных с расчетом, выполненным по формулам (5)-(8), указывает на то, что постоянный дипольный момент играет существенную роль в ориентации коллоидных частиц магнетита в переменном электрическом поле с частотой свыше 15 Гц.
Исследование переходных режимов электрооптического эффекта при воздействии прямоугольных импульсов напряжения позволяет определить как характерный размер частиц (из кривой спада эффекта), так и характеристики дипольного момента частицы (из кривой нарастания эффекта). Нарастание ДЛП в импульсном поле описывается
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.