Магнитные коллоидные наносистемы (магнитные жидкости

Движение частиц магнитного аэрозоля в магнитном поле
Введение
Магнитные коллоидные наносистемы (магнитные жидкости) обладают рядом
уникальных свойств, обусловленных возможностью их взаимодействия с магнитными и
электрическими полями. К настоящему времени такие среды считаются достаточно
хорошо изученными, вместе с тем на их основе создаются новые объекты, способные
проявлять при воздействии поля интересные физические эффекты, а также могут
получить применение на практике. Одним из таких объектов является
магниточувствительный аэрозоль, движением частиц которого можно управлять
магнитным
полем.
Целью настоящей работы является создание подобного аэрозоля и исследование
возможности его применения в дефектоскопии и феррографии.
Методика получения и экспериментальные методы исследования магнитного
аэрозоля
Ранее попытки получения магнитного аэрозоля из магнитной жидкости
предпринимались в работе [1] методом ультразвукового распыления магнетитовой
магнитной жидкости с керосиновой основой. Однако, распыление образцов с большой
концентрацией магнитной фазы оказалось затруднительным, а управление аэрозолем
полученным из разбавленных образцов не достаточно эффективным. Поэтому, была
разработана методика получения
магниточувствительного аэрозоля с твердыми
магнитными микрочастицами. Для этого магнитная жидкость на основе керосина с
магнетитовыми частицами (диаметром около 10 нм) выпаривалась до сухого остатка,
который впоследствии измельчался с помощью электромеханической дробилки. Такой
способ позволил получить порошок с размером магнитных микрочастиц около
микрометра, из которого впоследствии получали
аэрозоль. Для этого порошок помещали в сосуд с
встроенным микровентилятором и патрубком для
отсоса аэрозоля. Для исследования поведения
магнитного аэрозоля в магнитном поле его струю
пропускали между полюсами электромагнита,
форма наконечников которых (рис. 1) позволяла
получить неоднородное поле с постоянным
градиентом напряженности.
Результаты и их обсуждение
Уравнение движения частицы аэрозоля в
неоднородном магнитном поле (вдоль его
направления) можно записать в виде:
dv
dB
m
 Pm
 6rv
dt
dx
,
Рис. 1.
(1)
где m, v, r - масса, скорость и радиус частицы соответственно, Pm -ее магнитный
момент,  - вязкость среды.
Решение этого уравнение с некоторыми приближениями дает для смещения частицы
в направлении неоднородного поля величину:
x

M

t
B
x ,
(2)
2 r2
9 
где
- величина с размерностью времени, M - намагниченность вещества
частицы.
Нетрудно показать, что из (2) следует квадратичная зависимость смещения х от
радиуса частицы [1]:
x
2 Mr 2 t B
9  x .
(3)
Смещение частиц вдоль полюсов, очевидно, равно
y  0t .
Последнее выражение, согласно (3), может быть представлено в виде:
1
9 x  B 
y  0
 
2 Mr 2  x  .
Это дает возможность оценивать полидисперсность аэрозоля с помощью его
сепарации неоднородным магнитным полем. При проведении подобных исследований
вдоль полюса магнита помещали полоску бумаги, смазанную клеем на поверхности
которой оседали частицы, при этом размер частиц
уменьшался по мере продвижения вдоль полюсов (рис.2).
Это дало возможность построить гистограмму
распределения частиц по размерам (рис.3), из которой
Рис. 2.
было установлено, что средний размер частиц имел
значение 5,2 мкм. На рисунке 4 показана зависимость смещения вдоль полюса от 1/r2.
Возможность управления движением частиц магнитного аэрозоля магнитным полем
позволяет использовать их в качестве магниточувствительных сред в дефектоскопии и
25
50 %
45
20
y,
мм
40
35
15
30
25
20
10
15
10
5
5
0
0-2
2-4
4-6
Рис. 3.
6-8
8 - 10
мкм
0
0,05
0,1
0,15
0,2
1/r2,
0,25
мкм-2
Рис. 4.
феррографии. На рис.5 показаны магнитные фотографии стальной пластинки с
микротрещиной (а) и постоянного керамического магнита (б), полученные путем
обработки струей аэрозоля этих предметов, предварительно покрытых тонкой бумагой.
При дальнейших исследованиях магнитный порошок смешивался с мелкодисперсным
порошком металлических частиц. В качестве последнего использовалась дисперсия
алюминиевых или латунных частиц. Оказалось, что структурой такого порошка и
движением его частиц возможно управлять как магнитным, так и электрическим полем.
Так, при воздействии на слой комбинированного
порошка магнитного поля наблюдается не только
изменение рельефа его поверхности ,но и
анизотропное рассеивание света. В качестве примера
на рис.6 показано изменение рельефа поверхности
а
тонкого слоя порошка частиц магнетита и латуни при
воздействии кольцевого магнита, а на рис. 7 – картина
рассеяния света (светлые кольца) поверхностью
такого слоя, подверженного воздействию магнитного
поля этого же магнита. Объяснение последнего
эффекта можно связать с симметрией рельефа
поверхности порошка подверженного воздействию
магнитного поля. Действительно, при достаточно
малых частицах, порошок ведет себя в магнитном
поле подобно намагничивающейся жидкости – на его
поверхности
появляются
упорядоченно
расположенные конусообразные образования.
В
случае
комбинированного
порошка,
немагнитные частицы, окруженные магнетитовыми
б
частицами более малых размеров при воздействии
Рис. 5.
магнитного поля могут быть расценены как некие
«магнитные дырки», которые, благодаря окружению их
намагниченной средой, как бы приобретают магнитные
моменты, направленные противоположно напряженности
поля. В результате этого, такие частицы выталкиваются в
область более слабого поля, т.е. на поверхность
Рис. 6
деформированного слоя. Поскольку металлические
частицы обладают более высокой отражательной способностью чем порошок магнетита,
то их наличие на поверхности конусообразных образований (упорядоченно
расположенных) и приводит к особенностям рассеяния света, показанным на рисунке 7.
Для наблюдения движения струйки аэрозоля, магнитных и металлических
(проводящих) частиц использовалась установка, схема которой приведена на рис.8.
Порошок засыпался в стеклянную трубку 1, которая заканчивалась конусом с малым
отверстием. Внутри трубки вблизи ее зауженного конца
помещался игольчатый электрод, который был соединен с
одной из клемм высоковольтного источника напряжения.
Трубка устанавливалась вертикально, перпендикулярно ей на
некотором расстоянии
от
ее
конца
закреплялась
медная
пластина 2 , на нижней
поверхности
которой
наклеена
пленка
двухстороннего скотча.
Рис. 7
Для управления струей
аэрозоля с помощью воздействия магнитного поля
использовался керамический магнит 3, расстояние
между полюсом магнита и струей аэрозоля
Рис. 8
регулировалось путем перемещения магнита по горизонтальной направляющей 4.
Рис. 9 а.
Рис. 9 б.
Оказалось, что при включении электрического поля из отверстия трубки
начинает вытекать струя смешанного аэрозоля, содержащего как магнитные
(непроводящие), так и проводящие металлические частицы. При этом при ступенчатом
увеличении напряжения на полюсах источника на экране появлялся след от попадающих
на него частиц в виде концентрических окружностей (рис.9а). При воздействии
магнитного поля наблюдалось нарушение симметрии картины (рис.9б), очевидно
связанное с отклонением движения магнитных частиц в область более сильного
магнитного поля. Исследование приведенных на рисунках 9 картин, связанных с
осаждением на экран аэрозольных частиц позволяет оценить как степень увлечения в
движение магнитных частиц за счет движения металлических частиц, вызванного
воздействием электрического поля, так и влияние изменение направления потока
магнитных частиц под воздействием магнитного поля на движение немагнитных
металлических частиц.