С. Такетоми, С. Тикадзуми - Магнитные жидкости (1163253), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Упорядоченное расположение частиц на рис. 9.17,в (Н = 1,2. 10з А/м) не такое, как на рис. 9.17,а (Н „= 1,6. 1О' А/м). Соответственно изменилась и дифракционная картина: упорядоченное изо. бражение Лауэ исчезло, взамен возник кольцеобразный ореол вокруг центрального пятна — дебаеграмма, которая показывает, что расположение частиц по-прежнему обладает некоторой упорядоченностью. В качестве параметра для определения фазового перехода из упорядоченного состояния в неупорядоченное Скьелторп ввел следующую величину: гизи) 1 4хл/гз /г Т (9.21) Здесыл(д) — кажущийся магнитный момент, возникающий на полистирольной частице, г — расстояние между двумя соседними частицами, )с — постоянная Больцмана, Т вЂ” абсолютная температура магнитной жидкости. Поскольку отношение гл(д)'/(4ха г') описывает потенциальную энергию взаимодействия двух магнитных моментов полистирольных сферических частиц, формула (9.21) отражает соотношение между потенциальной энергией дипольного магнитного взаимодействия и тепловой энергией.
При изменении напряженности приложенного магнитного поля Н изменяется ш, что приводит к изменению Г. В обычных веществах ю энергия отталкивания между атомами, соответствующая в выражении (9.21) члену т(В)з/(4кд гз ), постоянна, а изменение температуры сказывается на параметре Г, определенное значение которого соответствует фазовому переходу. В рассматриваемом случае при постоянной температуре Т можно изменять т, что приведет к изменению Г вплоть до значения, соответствующего фазовому переходу, подобному переходу от а к е на рис.
9.17. Другнмн словами„при уменьшении напряженности приложенного магнитного поля можно изучать явле- Рис. 9.16. Расположение полистирольиык с4ерическик частица случае, когда толщина пленки мвгнитнон жидкости немного больше их удвоенного диаметра 1Я, Рис. 9.19. Расположение полнстнрольньж с4ерическик частиц в слое магнитной жидко. сти, когда я слою одновременно приложены Н„и Н1 [61. 187 Фазовый перехса в магнитной жнпкостн Рнс. Р2Д Расположение полнстнрольных оуернческнх частиц в слое магнитной жнлкостн прн налнчнн переменного магнитного поля 161. ния, цроисходяшие в данной структурированной системе частиц при изменении температуры от низких значений к высоким. Скьелторп обратил внимание и на следующие обстоятельства.
На рис. 9.18 приведена фотография, показывакицая расположение сферических частиц в случае, когда толщина пленки несколько больше удвоенного диаметра частиц и наложено магнитное поле, имеющее только составляющую И 151. Как видно иэ рисунка, упорядоченное расположение характеризуется «сцарнванием» частиц. Однако имеются также точки, в которых располагаются одиночные частицы, отмеченные крестиками на фотографии. Эти точки соответствуют дефектам кристаллической решетки.
На рис. 9.19 приведены фотографии для случая, когда наряду с Н„ имеется также составляющая Н„. На рис. 9.19, б, г и е представлены дифракцнониые картины для структур, показанных на рис. 9.19, а, в и д соответственно. На рис. 9.19, а расположение является упорядоченным, а на рис. 9.19,в заметны так называемые краевые дислокации. При дальнейшем уменьшении О, расположение на рис. 9.19,д становится почти некристаллическим. Существует теория, согласно которой при фазовых переходах из кристаллического в некристаллическое или жидкое состояние внутри кристалла появляются дефекты решетки и по мере увеличения их числа происходит постепенный переход к жидкой илн другой фазе.
Приведенные на рис. 9.19 результаты согласуются с выводом этой теории об увеличении количества дефектов решетки при переходе в жидкую фазу. Скьелторп проводил также эксперименты для случая, когда в качестве Н11 использовалось переменное мшнитное поле.
В этом случае происходило частичное агрегатирование полнстнрольных частиц. 188 Глава 9 Фотографии приведены на рис. 9.20. На снимке а Н = й 10з Аlм, а Нп отсутствует; на снимке б Н, = 8. 10з Аlм и приложено переменное магнитное поле Н ~ = 2,4. 1Ф Аlм. Видно, что при воздействии переменного магнитного поля Н~ ~ полнстирольные частицы располагаются в виде структуры сложной формы. Скьелторп анализировал зти структуры с использованием фрактальной геометрии 16, 71.
Глава 10 Оптические свойства магнитных жидкостей 10.1. МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ Магнитооптические эффекты в магнитных жидкостях представляют большой интерес как с прикладной точки зрения, так и в отношении общих физических закономерностей. Широкое распространение получила однородная модель, согласно которой коллоидные частицы в магнитной жидкости, покрытые слоем поверхностно-активного вещества, равномерно диспергированы в основе. Однако по данным магнитооптических исследований магнитных жидкостей коллоидные частицы в магнитном поле образуют агрегаты, содержащие от нескольких частиц до нескольких десятков частиц.
Об этом свидетельствует также анизотропия скорости звука и коэффициента затухания акустических волн, проходящих через магнитную жидкость. Однако подобные агрегаты из твердых частиц не нарушают стабильности свойств магнитной жидкости, Состояние„при котором возникают агрегаты, можно рассматривать как состояние при фазовом переходе. Состояние, в котором коллоидные частицы располагаются в жидкости по отдельности, и состояние, в котором все частицы объединены в один кластер, рассматриваются как две фазы, а промежуточное состояние, в котором образуются агрегаты, считается критическим. Фазовые переходы в обычных веществах (например, переход воды из жидкой фазы в твердую) сопровождаются скачками физических величин, которые являются параметрами процесса.
Однако поскольку размеры коллоидных частиц характеризуются большим разбросом, можно считать, что в магнитных жидкостях такие переходы происходят в широких диапазонах параметров. Таким образом, магнитооптические эффекты в магнитных жидкостях представляют интерес и с точки зрения диагностики их структуры. В даигюй главе сначала приводятся сведения об электромагнитной природе света; необходимые для понимания материала, а затем обсуждаются магнитооптические эффекты в мт- и ' ' . "::остях. !90 Глава !О 10.2. СВЕТ КАК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Известно, что свет представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитная индукция и другие электромагнитные явления были открыты Фарадеем, который на базе этих открытий выдвинул идею единого объяснения наблюдаемых явлений с помощью новой концепции — поля.
Результаты Фарадея были математически описаны Максвеллом. Существование электромагнитных волн, которое вытекало из этой формализованной тецрии, экспериментально подтвердил Герц. Максвеллу удалось дать единое описание основных закономерностей электромагнитных явлений посредством системы уравнений, которые получили название уравнений Максвелла 1Ц. Электромагнитные явления описываются с помощью векторов напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей. Электрическое и магнитное поля могут распространяться в вакууме и в веществе в форме волны. Введем вектор смещения Р и вектор магнитной индукции В в качестве физических величин, соответствующих Е и Н внутри материала. Между Е и 0 существует зависимость: 0 = Х> = еЕ = 0'"с 0 Е . (10.1) - Здесь Ю, й„й, и Е, Е, Е, — проекции векторов 0 н Е в системе декартовых координат х, у, с; е — тензор диэлектрической проницаемости.
При соответствующем выборе системы координат с можно записать в виде диагональной матрицы, В обычных веществах с является изотропной величиной и называется просто диэлектрической проницаемосгью, причем (10.2) Однако, как будет показано ниже, в случае магнитной жидкости формула (10.2) не справедлива. Зависимость межцу В н Н может быть записана аналогично: В В, „Н од 0 И . (В)з) Здесь В„, В „В и г)„. Н, Н, — проекции векторов В и Н в сисгеме ко- У' ординат х, у, с! д — тензор магнитной проницаемости. В переменном магнитном поле и изменяется с частотой изменения Н. Однако на высоких частотах (например, на частотах световых волн) гв становится Оптические саойстаа магнитных гкиакостей 191 практически равным тензору магнитной проницаемости вакуума: ол,о (10.4) В= „Н.
В ходе дальнейших рассуждений предполагается, что внутри веществ„ в которых распространяются электромагнитные волны, электрический ток отсутствует (диэлектрики) и нет статических зарядов. В таком случае уравнения Максвелла имеют следующий вид: (10.5) госН = —, гогЕ = — —, д() дВ де дг (10.6), (10.7) (10.8), (10.9) сйчВ = О„сбт() = О. Рассмотрим случай плоской электромагнитной волны, распространяющейся вдоль направления е. У такой волны Е, Н вЂ” функции только координаты е н времени г, их частные производные по координатам х, у равны нулю.
В этом случае из формул (1О 1), (10.5), (10.6) следует — — ~ = е —., =т = — ~, (10.10„хс0.11) дг дг' де 'дг' 0 = е„дЕ,/дп Кроме того, из формул (10.1), (10.5), (10.7) вытекает — е = до — ', — е = — гс — ~, (10.13). (10.14) дЕ дН„дЕ дН де дГ де де О = в дн,/дп Исходя из (10.12) и (10.15), можно написать Е =Н =О. к (10.15) (10.16) Окончательно получаем даЕ дз Е дз Е даЕ к — „е к х — е х (Рд 17) (10 18) де " дс ' дез дг ' Здесь и — магнитная проницаемость вакуума 1,26- 1О а Гн/м.
В даль- нейшем рассматривается диапазон частот световых колебаний, поэ- тому зависимость между Н и В может быть приближенно записана как 192 Глава Ю Рис. Ш.1. Два вила колебаний в электромагнитной волне. В элехтромагни:ной волне, распространягощейся по направлению х, происходят колебания двух вилок: колебчнвя вектора напрвкенностн электрического поля Е вдоль осн х н колебания вектора нвпряженносэ1н магнитного поля Н влоль оси у, В обгнем случае скорости распространения обеих волн нс равны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
