Список рекомендуемой литературы 1. Яковлев, С. В. Электроника: учебное пособие / С. В. Яковлев – Ставрополь: СевКавГТУ, 2012. – 270 с. 2. Джонс, М. Х. Электроника – практический курс / М. Джонс; пер. с англ. Е. В. Воронова, А. Л. Ларина. – 2-е изд., испр. – М.: Техносфера, 2013. – 512 с. 3. Щука, А. А. Электроника: учеб. пособие для вузов / А.А. Щука. – 2-е изд. – Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2012. – 739 с. 4. Бурбаева, Н. В. Основы полупроводниковой электроники / Н. В. Бурбаева, Д. С. Днепровская – М.: Издательство «Физматлит», 2012. – 312 с. (электронно-библиотечная система издательства «Лань»). 5. Игумнов, Д. В. Основы полупроводниковой электроники: учебное пособие / Д.В. Игумнов, Г. П. Костюнина – М.: Издательство «Горячая линия-Телеком», 2011. – 394 с. (электронно-библиотечная система издательства «Лань»). 6. Марченко, А. Л. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim : учебное пособие / А.Л. Марченко, С.В. Освальд – М. : Издательство «ДМК Пресс», 2010. – 448 с. (электроннобиблиотечная система издательства «Лань»). 7. Чижма, С. Н. Электроника и микросхемотехника: учебное пособие / С.Н. Чижма – Хабаровск: Издательство «УМЦ ЖДТ (Маршрут)», 2012. – 359 с. (электронно-библиотечная система издательства «Лань»). 8. Яковлев, С. В. Электроника: учебно-методическое пособие (практикум) / С. В. Яковлев – Ставрополь: СКФУ, 2014. – 292 с. 9. Лачин, В. И. Электроника: учеб. пособие для вузов. – Ростов н/Д: Феникс, 2000. – 448 с. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... 8 1. Анализ существующих систем и готовых решений. Актуальность.................................................................................................. 6 1.1 Электро-магнитооптические явления в магнитных жидкостях и их применение ...................................................................................................... 6 1.2 Структурообразование в ферромагнитном коллоиде .................... 11 1.3 Вязкость углеводородных дисперсных систем ............................ 12 1.4 Основные задачи, решаемые в работе…........................................ 16 2. Системы бесперебойного и автономного электроснабжения......... 16 3. Разработка структурной схемы эксперимента .................................. 19 3.1 Экспериментальные установки и методики измерения электромагнитооптических и электрофизических параметров пленки коллоида нанодисперсных частиц магнетита................................................................... 19 3.2 Спектральная зависимость двулучепреломления в пленке и массивном образце магнитной жидкости ........................................................ 23 3.3 Изменение оптических параметров композиции: тонкая пленка полупроводника SnO2 и пленка магнитной жидкости при действии электрического и магнитного полей ....................................................... 26 ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................ 39 Список использованной литературы ......................................................... 40 ВВЕДЕНИЕ 1. ТЕМА Разработка и исследование электро-магнитоуправляемого оптического преобразователя на основе наночастиц магнетита 1.1. Научная проблема Проект направлен на решение фундаментальной проблемы повышения эффективности реализации информационных панелей, что требует создание оптической многослойной тонкопленочной композиции, имеющей перестраиваемую спектральную характеристику с ограниченным временем релаксации на управляющее воздействие. Это является сложной научнотехнической задачей, требующей разработки физических основ построения принципиально более совершенного способа управляемой фильтрации света по сравнению с известными, его математического моделирования, экспериментальной и машино-ориентированной оптимизации параметров, конструктивных размеров, материалов. Использование дисперсных наночастиц магнетита в качестве активной среды в оптической системе интересен тем, что внешние поля индуцируют в ансамблях малых ферромагнитных частиц, распределенных в слабомагнитной матрице, магнитомеханические и магнитооптические эффекты имеющие значительную величину, которые во многом определяются свойствами наночастиц. Магнитные наносистемы представляют собой устойчивые коллоидные растворы однодоменных (порядка 10 нм) частиц в жидкости-носителе. Физические свойства коллоидов определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием между собой и с внешними полями. Актуальным является изучение магнитооптических и электрооптических явлений в слое наночастиц магнетита, заключающихся в изменении состояния поляризации электромагнитного излучения при взаимодействии последнего со средой, находящейся во внешнем магнитом или электрическом поле, и динамики изменения этих явлений в переменных полях. Оптическая ячейка с коллоидом нанодисперсного магнетита может служить оптическим преобразователем для изменения поляризации света и модуляции светового потока. Целью настоящей работы Разработка и исследование электромагнитоуправляемого оптического преобразователя на основе наночастиц магнетита. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: • изучить электрофизические свойства ферромагнитного коллоида наночастиц магнетита; • изучить электрокинетические и поляризационные явления в углеводородной дисперсии наночастиц магнетита; • изучить влияние электрического поля на эффект двулучепреломления в тонком слое наночастиц магнетита. • исследовать динамику отражательной способности, электрического тока в коллоиде наночастиц магнетита при действии электрического поля. Ключевые слова: двулучепреломление, магнетита наночастицы, отражательная поляризационные способность, коллоид явления, наночастиц 1. Анализ существующих систем и готовых решений. Актуальность 1.1 Электро-магнитооптические явления в магнитных жидкостях и их применение В макроскопическом отношении при отсутствии внешнего воздействия коллоид представляет из себя изотропное тело. В микроскопическом отношении она является гетерогенной. В большинстве случаев частицы твердой фазы магнитного коллоида не обладают сферической симметрией геометрических, электрических, магнитных, оптических свойств. Макроскопическая однородность магнитной жидкости является следствием беспорядочной ориентации ее анизотропных твердых частиц, вызванной тепловым движением. Изотропная в макроскопическом смысле объемных образцов коллоида, но коллоид проявляет анизотропные свойства при переходе к микрообъемам, размеры которых сравнимы с длиной световой волны. Диполь-дипольное взаимодействие между частицами приводит к взаимной корреляции магнитных моментов и осей анизометрических коллоидных частиц магнетита, поэтому рассеяние света магнитной жидкостью сопровождается его частичной деполяризацией. Значение коэффициента деполяризации для различных образцов коллоида магнетита колеблется от 0,042 до 0,065 в зависимости от срока хранения [2]. Если магнитный коллоид подвергается внешним воздействиям, которые в значительной степени изменяют структуру ансамбля частиц, то образец приобретает анизотропию макроскопических свойств. Так воздействие внешнего магнитного магнитооптического поля эффекта проявляется Коттона-Мутона, в возникновении заключающегося в анизотропии показателя преломления жидкости при распространении света перпендикулярно силовым линиям поля [1-5]. В работе [18] установлено, что в коллоидах магнетита с размером частиц 10 нм и объемной концентрацией твердой фазы несколько процентов постоянная Коттона- Мутона на 6-7 порядков больше чем для чистых парамагнетиков. Если в магнитной жидкости создается ламинарный поток, вызывающий ориентацию частиц дисперсной фазы, то имеет место динамооптическое явление Максвелла. Было показано, что анизотропия коллоида ферромагнетика возникает и во внешнем электрическом поле. Величина эффекта Керра оказалась сравнимой с величиной эффекта Коттона-Мутона при аналогичных значениях параметра электрического и магнитного полей [2]. При отражении поляризованного света от поверхности магнитной жидкости наблюдались магнитооптические эффекты Керра. Теоретические модели оптических эффектов в магнитных коллоидах имеют свои особенности. Во-первых, появление оптической анизотропии у коллоидного раствора во внешнем поле обусловлено ориентацией твердых частиц. Во-вторых, для молекулярных жидкостей энергия теплового движения много больше энергии, приобретаемой молекулой во внешних полях, тогда как в случае коллоидных жидкостей эти энергии могут быть сравнимы. В этом случае намагниченность магнитной жидкости определяется с помощью функции Ланжевена [8] M MS L() cth 1 , mH где 0 k БT – параметр Ланжевена, m - магнитный момент частицы, MS - намагниченность насыщения ферроколлоида. Для разбавленной суспензии невзаимодействующих коллоидных частиц при совместном воздействии электрического и магнитного полей, ограничиваясь предельным случаем слабых полей и линейными членами первого порядка в разложении стационарной функции распределения осей частиц в пространстве, в работе [2] установлена связь между собственными значениями диэлектрической проницаемости среды и величиной и направлением электрического и магнитного полей. Для главных значений диэлектрического тензора ik получены (электрическое и магнитное поля ортогональны): следующие выражения где 1 1 b L3 L2 1, 2 10 , 3 1 2bL3 3L() 1 L2 1 , L3 L2 30 (1.2) ; диэлектрическая - проницаемость изотропной среды, b - коэффициент, характеризующий поляризуемость частицы, 0 mH kБ T , - объемная плотность твердой фазы, KV kБ T , 0 E2 2kБ T ; K и - константа магнитной и электрической анизотропии соответственно; V - объем частицы. В случае действия только магнитного поля [2] для разности показателей преломления света, поляризованного вдоль и поперек выделенного направления ориентации частиц (эффект Коттона-Мутона), в линейном приближении по получено выражение: 3L() . n nb1 10 1 (1.3) Соотношение (1.3) достаточно хорошо описывает наблюдаемое экспериментально магнитное двойное лучепреломление от величины магнитного поля и температуры [2], что свидетельствует в пользу ориентационной модели возникновения анизотропии. В области сильных магнитных полей L() 1 в асимптотическом приближении (1.3) для двух значений поля H и H0 можно записать: 1 3 n . n 0 1 3 0 (1.4) Соотношение(1.4) использовалось [2] для определения магнитного момента коллоидных частиц по известной зависимости n(H) . Для разности показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в магнитной жидкости при электрическом поле получено выражение: n 1 10 nb . (1.5) В случае одновременного действия постоянных электрического и магнитного полей при малых значениях , тензор ориентации оказывается аддитивным по отношению к Н и Е [1] . Диэлектрический эллипсоид в этом случае остается трехосным, а положение оптических осей определяется соотношением между магнитным и электрическим полями. Можно подобрать такие величины Е и Н, при которых будет выполняться условие L2 0 . (1.6) Условие (1.6) отвечает особой ситуации, при которой в магнитном коллоиде возникает взаимная компенсация эффектов Керра и КоттонаМутона. Это явление специфично именно для магнитного коллоида и не имеет аналогов в оптике обычных коллоидов. Ослабление интенсивности света, проходящего через слой МЖ, связано с его поглощением и рассеянием. В спектральной области 0,32…1,1 мкм максимум пропускания света лежит в области 0,76 мкм. Экстраполяция концентрационной зависимости показателя поглощения в область высоких концентраций показывает, что даже для концентрированных МЖ величина показателя поглощения значительно меньше единицы [1] и в этом смысле коллоид магнетита можно считать слабо поглощающим. Автором работы [4] приводятся результаты исследования структуры МЖ по анизотропному поглощению и анизотропному рассеянию света. Сделан вывод, что если явление двойного лучепреломления может быть объяснено ориентацией коллоидных частиц, то в явлениях дихроизма и анизотропного рассеяния света определяющую роль играют агрегаты частиц. В работах [3, 8] авторы предположили, что причиной магнитооптического эффекта в магнитной жидкости заключается в том, что коллоидные частицы образуют цепочки по нескольку частиц в каждой и ориентируются вдоль направления магнитного поля. Размеры цепочек по сравнению с длиной волны видимого света малы. Направление постоянного магнитного момента каждой частицы располагается вдоль оси цепочки. Цепочка – это цилиндр с радиусом a и длиной 2N0a , N0 – количество мелких частиц в стержне. Используя предположение, что между стержнями нет взаимодействия и что оно существует только между прилагаемым магнитным полем и каждой стержневидной частицей в проведении средних подсчетов были получены выражения для фазового различия между двумя компонентами светового луча (Н) с вектором электрического поля, ориентированного перпендикулярно и параллельно оптической оси, оптического дихроизма. Существенная информация о структуре магнитных коллоидов может быть получена на основании данных о кинетике магнитного двулучепреломления. В литературе имеются сведения, полученные при измерении релаксации магнитного двулучепреломления при резком выключении внешнего намагничивающего поля или путем изучения сдвига фаз между переменным намагничивающим полем и разностью фаз световых лучей, поляризованных перпендикулярно магнитному полю и вдоль него [17,40]. Запаздывание по фазе определялось соотношением tg 2 . По измерениям частотной зависимости в работе [40] для коллоидов, разбавленных керосином и керосином с трансформаторным маслом получены соответствующие значения времен релаксации: 0.7910-5 и 0.7410-4 с, что соответствует эффективному гидродинамическому радиусу частицы 16 нм. Информация о механизмах релаксации магнитооптических эффектов была получена также методом вращающейся кюветы. Полученные времена релаксации равны 1.7210-4 с для коллоида Fe3O4 и 1.5210-4 с – для CoFe2O4. Так как приведенные выше значения времен релаксации хорошо согласуются со значениями, определенными по намагничиванию, то они подтверждают применимость ориентационной модели независимых частиц для данных образцов. В работах изучена частотная зависимость магнитного двулучепреломления в ферроколлоиде «магнетит в керосине» с = 0.1% . Из найденных значений времени вращательной диффузии = 610-5 с следует оценка среднего диаметра частицы d 60 нм, которая показывает, что в изученной МЖ основными ориентируемыми объектами являются кластеры, содержащие несколько десятков частиц. Динамические особенности оптической анизотропии в МЖ при переменном электрическом поле и одновременном воздействии взаимно ортогональных постоянного магнитного и переменного электрического полей, вектора напряженности которых направлены перпендикулярно лучу света, рассматривались в работах [4]. Сравнение результатов экспериментального исследования с теоретически рассчитанными значениями позволили авторам утверждать о применимости одночастичной ориентационной модели возникновения оптической анизотропии в слабоконцентрированной МЖ. Двулучепреломление в МЖ с микрокапельными агрегатами исследовалось в сдвиговом ее течении в магнитном поле [44]. Найдено, что одновременное действие магнитного поля и сдвигового течения приводит к появлению регулярной структуры в ней. Параметры этой структуры можно регулировать изменением магнитного поля или градиента скорости течения. Полученные данные объяснены на основе механизма деформации капельных агрегатов. Совместное исследование электрооптических эффектов анизотропии электропроводности в водной дисперсии и дали возможность говорить о едином их механизме - ориентации частиц, что позволило использовать эти явления при изучении свойств двойного электрического слоя в полидисперсных системах. Электро-магнитооптические эффекты в магнитной жидкости использованы для решения ряда технических задач. Разработаны методы визуализации и измерения магнитных полей микрообъектов по двулучепреломлению в магнитной жидкости, исследования полей сложной конфигурации [5]. На основе эффекта Керра в МЖ предложен способ измерения напряженности и визуализации электрического поля. Эффект двулучепреломления диагностики нашел магнитных свое применение жидкостей [5]. также для Оптические экспресс эффекты в электрохимической ячейке с магнитной жидкостью использованы в устройствах: электроуправляемый спектрофотометр, пространствено- временной модулятор света, электрофорезный нуль-индикатор. 1.2 Структурообразование в ферромагнитном коллоиде В ряде экспериментальных работ [54-58] обнаружено, что в плоских слоях магнитной жидкости при напряженностях магнитных полей, больших некоторого критического, возникают периодические структуры включений, концентрированных частицами. Этот факт свидетельствует о роли магнитных межчастичных взаимодействий в фазовом разделении. Отмечена зависимость структурообразования от толщины образца [58]. В пленке с толщиной h < 20 мкм доменная решетка образуется только однослойная и только вблизи нижней поверхности. В пленке с h > 20 мкм при взаимодействии с внешним магнитным полем H образуется многоуровневая магнитная структура, состоящая из двух и более слоев с локализованными в них доменами. В работе исследовано дифракционное светорассеяние магнитной жидкостью с микрокапельными агрегатами, подверженной действию магнитного поля и сдвигового течения. Найдено, что одновременное действие магнитного поля и сдвигового течения приводит к появлению регулярной структуры в ней. Параметры этой структуры можно регулировать изменением магнитного поля или градиента скорости течения, что связано с деформацией капельных агрегатов. В настоящее время разработана теория электрической составляющей взаимодействия частиц в дисперсии. При заданных величинах электрического потенциала или заряда поверхности частиц известны аналитические выражения для сил взаимодействия частиц. Трудности, которые испытывает теория при ее применении к приграничным слоям, состоит в необходимости учета структурных изменений граничных слоев дисперсионной среды. Перестройка структуры проявляется, в частности, в изменении значений статической диэлектрической проницаемости, а также растворяющей способности граничных слоев жидкости, формирование двойного электрического слоя и объемного заряда. Эти структурные изменения дисперсионной среды пока недостаточно изучены, что не позволяет учесть их в теории дальнодействующих поверхностных сил. В этой связи представляет интерес исследования, связанные с изучением структурообразования и с особенностями зарождения доменных структур в пленках ФМЖ толщиной порядка 100 мкм при совместном действии магнитного, электрического полей и сдвигового течения. 1.3 Вязкость углеводородных дисперсных систем Рассмотрим сначала вязкость магнитных жидкостей в отсутствие внешних полей. Концентрационная зависимость вязкости разбавленных суспензий описывается формулой Эйнштейна: 0 (1 2.5) , (1.8) где 0 – вязкость жидкой среды, – объемная концентрация частиц. Коэффициент 2.5 рассматривают как характерную вязкость коллоида : 0 lim . 0 0 (1.9) Оценка была сделана в работе [94]. Для этого снималась кривая =f() и экстраполировалась в область 0 . Полученное число более чем в два раза превышало постоянную Эйнштейна. Значение коэффициента при неплохо согласуется с результатом экспериментальной работы [94] для жидкостей с концентрацией магнитных частиц не выше 0.06. В случае магнитных жидкостей под подразумевается так называемая гидродинамическая концентрация. Заметим, что в формуле (1.8) отсутствует зависимость вязкости коллоида от величины частиц и распределения их по размерам. Для концентрированных МЖ возникает вопрос об учете взаимодействия частиц между собой и дисперсной средой. Ряд теоретических моделей учитывают те или иные взаимодействия частиц. Представляет интерес гипотеза Венда о существовании виртуальных агрегатов, образующихся в сдвиговом течении коллоида в результате неупругих столкновений частиц. Агрегаты могут состоять из двух, трех или более частиц. Они неустойчивы во времени, т. е. могут распадаться и образовываться новые агрегаты. Учет неупругих столкновений частиц был сделан Вендом в работе. Он получил следующее соотношение ln 2.5 2.7 2 . 1 0.609 0 (1.10) Однако пренебрежение Вендом броуновским движением делает этот вывод мало применимым к реальным ферроколлоидам. Тем не менее, этот результат можно использовать для определения вязкости коллоида в сильных магнитных полях, когда m H k T . При этом условии броуновское движение будет «заморожено». Для концентрированных коллоидов с эллипсоидальными частицами можно использовать зависимость Аррениуса: 0 exp(). (1.11) При температурных измерениях вязкости обычно принимают, что подчиняется закону Аррениуса-Френкеля-Эйринга: W , A exp 0 kT (1.12) где А0 – коэффициент, физический смысл которого – вязкость коллоида при температуре, когда энергетический барьер полностью проницаем. Анализ экспериментальных работ показывает, что формула (1.12) справедлива только в узком интервале температур. Показано [94], что при концентрациях ниже 0.1 энергия активации коллоида совпадает с энергией активации жидкой среды. Для концентрированных жидкостей с увеличением объемной концентрации магнитных частиц в коллоиде наблюдается нелинейный рост энергии активации. Изменение W с концентрацией нельзя объяснить с точки зрения классической активационной модели. Согласно Я.И. Френкелю должен меняться коэффициент А0 , а не W. Вязкость феррожидкости зависит не только от величины магнитного поля, но и от его ориентации относительно геометрии течения. Для теоретической модели жесткого диполя, где рассматривается вращение однодоменной сферической частицы под действием моментов магнитных и вязких сил, действие поля, поперечного вектору гидродинамического вихря, приводит к увеличению эффективной вязкости коллоида на величину [8] 3 L . 2 L 2 (1.13) Предельная при вращательная вязкость равна 3/2. Имеет место пуазейлево течение с эффективной вязкостью * . В малых частицах вмороженность магнитного момента может нарушаться тепловыми флуктуациями. Они существенны, если значение параметра магнитной анизотропии частиц KV kT не слишком велико и форма частиц слабо отличается от сферической. Для коллоидов магнетита и некоторых коллоидов кобальта составляет величину порядка 5 [8]. Характерное неелевское время N установления теплового равновесия магнитного момента в частице при этом гораздо меньше времени вращательного броуновского движения частицы в вязкой среде б . В этом случае вращение коллоидных частиц описывается в приближении локального равновесного магнитного состояния, согласно которому функция распределения магнитного момента коллоидальной частицы P(e n) при определенном направлении ее оси магнитной анизотропии n имеет больцмановский вид P(e n) Q1 exp((eh) (en)), где e m m, h = H H . (1.14) Для приращения эффективной вязкости коллоида при течении в плоском капилляре получено 3 ~. 2 (1.15) Соотношение (1.15) в пределе дает максимальное значение эффекта в зависимости от параметра магнитной анизотропии частиц . При малых и больших эта зависимость соответственно имеет вид [8] ~ 82 180; ~ 1 1 2. (1.16) Заметим, что, согласно соотношения (1.16), при малой магнитной анизотропии частиц магнитовязкий эффект отсутствует. 1.4 Основные задачи, решаемые в работе Проведенный обзор литературы показал, что в настоящее время интенсивно изучаются свойства тонких пленок ферроколлоидов, но вопрос об адекватном описании поведения магнитных жидкостей в приграничной области при внешних воздействиях остается открытым. Магнитооптические деформационные эффекты обычно ориентационным эффектам, и сопутствуют разделение магнитооптическим вклада этих механизмов представляет интерес как с точки зрения изучения оптических явлений в коллоиде нанодисперсного магнетита, так и сточки зрения создание новых оптических преобразователей. Воздействие внешнего электрического поля приводит к миграции примесных зарядов и заряженных частиц в магнитной жидкости. Электрофорез частиц твердой фазы МЖ изменяет концентрацию их в приэлектродном слое, что приводит к изменению оптических свойств этого слоя. В постоянных электрических полях в МЖ наблюдаются аномально большие приэлектродные заряды по сравнению в величинами, определяемыми геометрической емкостью образца. Скорость движения носителей заряда в приэлектродном слое определяется не только напряженностью внешнего поля, как в объеме, но и особенностями строения приповерхностных слоев. Все это указывает, во-первых, на необходимость привлечения модели электрофизических актуальность неоднородного свойств изучения тонкой возможности слоя пленки МЖ, управления при и, исследовании во-вторых, на электрофизическими характеристиками пленки МЖ, воздействуя на структуру приграничного слоя внешними полями. 1. Разработка структурной схемы эксперимента 1.1 Экспериментальные установки и методики измерения электромагнитооптических и электрофизических параметров пленки коллоида нанодисперсных частиц магнетита Блок-схема установки для исследования электро-магнитооптических явлений в пленке магнитной жидкости приведена на рис. 3.1. Оптическая часть установки состоит из источника света 1, монохроматора 2, фокусирующей системы 3, поляризатора 4, кюветы с исследуемой жидкостью 5, четвертьволновой пластины 6, анализатора 7, и фотоприемника 8. В качестве источника света применялась лампа накаливания, питаемая от стабилизированного источника постоянного тока ЛИПС-35. Свет от лампы попадал на входную щель монохроматора с дифракционной решеткой 600 штрихов/мм или спектрофотометр с полосой разрешения 0.01 мкм . Полученный монохроматический свет собирался в направленный тонкий луч с помощью телескопа 3. В качестве поляризатора использовалась призма Аренса. После поляризатора свет направлялся на ячейку с МЖ, которая помещалась в термостат между полюсами электромагнита 9. Сечение полюсов магнита 40х40 мм2, зазор между ними 17 мм. Обмотки электромагнита подключались к стабилизированному источнику питания 10. Магнитное поле было направлено перпендикулярно плоскости падения света и параллельно отражающей поверхности МЖ. Напряженность магнитного поля контролировалась по входному току и градуировочной кривой с точностью 3%. На электроды ячейки подавалось Рисунок 3.1. Блок-схема установки для исследования электромагнитооптических явлений в пленке коллоида нанодисперсного коллоида. Пояснения в тексте. постоянное или импульсное напряжение от источника 11 – Г3-33. На выходе из ячейки свет попадал на компенсатор – пластина в четверть длины волны 5, затем проходил через вторую призму Аренса 6, анализатор. Прошедший через оптическую систему свет поступал на регистрирующее устройство – фотоумножитель, питаемый высоковольтным источником стабилизированного напряжения 12. Для защиты от электромагнитных наводок ФЭУ помещался в массивный кожух из магнитомягкого железа. Сигнал с ФЭУ подавался для измерения на осциллограф (13) или на цифровой пробор (14). Для изучения фазовых соотношений между гармоническими составляющими внешнего электрического поля и интенсивности светового потока электроды ячейки подключались к источнику переменного напряжения Г3-118 (15), а сигналы, пропорциональные соответственно величине поля между электродами и интенсивности света за анализатором, подавались на двухканальный цифровой осциллограф. Экспериментальная установка позволяла измерять относительные изменения интенсивности потока света порядка 110-4 в диапазоне длин волн от 500 до 700 нм, и 510-4 в диапазонах от 440 до 500 и от 700 до 800 нм. Температура образца контролировалась медь-константановой термопарой. Изменение температуры при оптических исследованиях не превышало 0.5 С. Влияние внешнего рассеиваемого магнитного поля на фотоприемник не было обнаружено при используемых значениях напряженности магнитного поля. Схема экспериментальной установки для исследования спектров отражения и релаксационных процессов в пленке коллоида представлена на рисунке 3.2. С помощью быстродействующего электронного ключа К1 (время срабатывания ~1мкс) на электроды ячейки подавалось напряжение U от источника стабилизированного напряжения. Этим же ключом запускалась развертка луча осциллографа, который регистрировал сигнал с ФЭУ. Осциллограммы фотографировались. Ключ К2 служил для перемены полярности подаваемого напряжения. Напряжение с ФЭУ и с ячейки измерялось вольтметром типа В7-16. Угол падения луча света на межфазную поверхность ячейки менялся в пределах от 30 до 75. При спектроскопии отражения измерялась интенсивность отраженного светового луча, сформированного на двух границах раздела пленки SnO2 со стеклом и МЖ. Ход лучей в исследуемой системе изображен на рисунке 3.3. Между когерентными лучами, отраженными от двух границ раздела пленки SnO2 , возникает разность фаз 2 , (2.4) где - длина световой волны, - разность хода между лучами: 2dSnS cos, dS - толщина слоя SnO2 , nS - показатель преломления SnO2 , - угол преломления, - изменение фазы света при отражении от границы пленка SnO2 - МЖ, которая зависит от показателя преломления магнитной жидкости, определяемого концентрацией магнитных частиц и структурой приграничного слоя. Рисунок 3.2 – Блок-схема установки для исследования спектров отражения и релаксационных процессов. Пояснения в тексте. Рис. 3.3. Схема хода лучей в исследуемой трехслойной системе: 1 – стекло, 2 – пленка SnO2, 3 – магнитная жидкость; – угол падения света на пленку SnO2, 2 – угол преломления, d – толщина пленки SnO2. Амплитуда отраженной волны в этом случае может быть записана в виде A A 2 A 2 2A A cos , где А1 и А2 (2.5) - амплитуды интерферирующих волн, отраженных от двух границ пленки SnO2 . Амплитуда отраженной волны достигает максимума, равного А1 + А2 , при условии = 2k (k - целое число) и минимума, равного А1 - А2 , при условии = (2k+1) . Изменение концентрации магнитных частиц или их структуры на границе МЖ с пленкой SnO2 приводит к изменению амплитуды одного из интерферирующих лучей, что , согласно выражения (2.5), вызывает изменение интенсивности отраженного света от рассматриваемой оптической системы. Приведенные в работе коэффициенты отражения нормированы или на коэффициент отражения границы раздела стекло - алюминий, или на коэффициент отражения при нулевом значении электрического поле или внешнего магнитного поля. Для изучения двойного лучепреломления и дихроизма в слое МЖ , индуцированных внешними полями, создавали взаимно ортогональные внешние поля E и H , где вектор напряженности электрического поля был направлен по направлению светового потока, а вектор напряженности магнитного поля лежал в плоскости, нормальной направлению светового луча. Плоскость поляризации света устанавливали с помощью поляризатора под углом 45 к направлению магнитного поля, что обеспечивало равенство интенсивности обыкновенного и необыкновенного компонент в падающем свете. Оптическая анизотропия образцов МЖ определялась по двум методикам: Методика 1. Измерение величины двойного лучепреломления и дихроизма производили в следующей последовательности. При выключенном магнитном поле устанавливали оптическую ось анализатора под углом 90 к оси поляризатора, а компенсатор - так, чтобы одна из его оптических осей была параллельна оси анализатора. При этом интенсивность прошедшего света через оптическую систему была минимальна. После включения магнитного поля поворачивали анализатор и компенсатор, соответственно, на углы 1 , (или 2 и ) до получения минимума интенсивности проходящего света. Оптическую анизотропию МЖ n и разность показателей экстинкции необыкновенного и обыкновенного лучей К определяли как n n11 n , 2h K k11 k (2.6) ln sin (1 cos 2 sin 2 , ) 2h sin 2 (2.7) где - разность фаз необыкновенного и обыкновенного лучей, h - толщина слоя жидкости, 1 2 . Эта методика при исследовании спектральной зависимости оптической анизотропии требует соответствующего подбора компенсатора - четверть волновой пластины при каждом новом значении волны. Методика 2. При исследовании дихроизма в слое коллоида, индуцированного внешним магнитным полем, убирали анализатор 6 и компенсатор 5 (рисунок 3.1) . Измерялась интенсивность света, прошедшего через образец при двух направлениях поляризации Eсв H , Eсв H . Дихроизм оценивался как K где (k1 k 2 ) , 2h (2.8) ki - коэффициент изменения интенсивности потока света при воздействии на образец магнитным полем, он определялся следующим образом [18] I I0 exp 2ki (H, ), (2.9) I0 - интенсивность светового потока проходящего через образец при отсутствие магнитного поля, i = 1,2 соответствует направлению электрического вектора в световом луче перпендикулярно и параллельно внешнему магнитному полю, h - расстояние пройденное светом в МЖ. Разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами при двойном лучепреломлении экспериментально определялась на установке (рис.3.1) без компенсатора направлением магнитного 6 поля следующим и образом. оптической осью Угол между поляризатора устанавливали равным 45, что обеспечивало равенство интенсивностей обыкновенной и необыкновенной волн, падающих на слой магнитной жидкости. При выполнялось каждом вращение значении анализатора приложенного магнитного и максимальное измерялись поля и минимальное значение интенсивности проходящего через анализатор света (Imax , Imin), а по ним вычислялась разность фаз по соотношению arcsin 2 Imin Imax ch(k1 k 2 ) . 1 Imin Imax (2.10) Если оптические оси поляроидов скрещены, то интенсивность света прошедшего через анализатор, можно определить как I I 0 sin2 2sin2 ( 2) , (2.11) где I0 - интенсивность падающего света, - угол между направлением поляризации падающего луча и вектором намагниченности слоя M . При 2 , 45 для малых использовалась приближенная формула I I 2 0 так как вплоть до разности фаз 30 ошибка не превышает 2% . 1.2 Спектральная зависимость двулучепреломления в пленке и массивном образце магнитной жидкости Магнитооптические явления в МЖ связаны с микроскопическим двухфазным строением магнитной жидкости, следовательно микроструктура жидкости должна проявляться на спектральных зависимостях оптических характеристик. В данной части работы было проведено исследование зависимости линейного двойного лучепреломления (ДЛП), оцениваемого по разности показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волны света n , и наведенного дихроизма, оцениваемого по разности показателей экстинкции для обыкновенной и необыкновенной волны света K. Были исследованы образцы разбавленной жидкости с концентрацией магнитной фазы h=10-4…10-5 магнетита Fe3O4, а также тонкой пленки концентрированной МЖ с объемной концентрацией Fe3O4 h=0,06. Надо отметить, что магнитная жидкость, разбавленная очищенным керосином ТС1 до концентрации h=10-4…10-5, имела значительную величину n в магнитном и электрическом полях. Экспериментальные результаты спектральной зависимости двойного лучепреломления МЖ образец №2 ( h=210-5 Fe3O4) , индуцированного внешним магнитным полем напряженностью H 8 кА/м, представлены на рисунке 3.1. При исследовании ДЛП использована методика 1, описанная в главе 2.2. На рисунках 3.2 и 3.3 представлены спектральные зависимости оптической анизотропии тонкой пленки (h = 20 мкм) МЖ с концентрацией Fe3O4 h=0,06 и слоя 10мм МЖ c h=210-4 , результаты получены по методике исследования 2. Надо отметить, что спектральная зависимость оптической анизотропии как разбавленных МЖ, так и концентрированных МЖ имеет экстремум в области длин волн ~500 нм. Для сопоставления оптической активности слабо концентрированной МЖ ( h=810-5 Fe3O4) и жидкости с объемной концентрацией магнитной фазы h=0,06 были проведены полевые исследования ДЛП в слоях с одинаковой оптической плотностью, которая подбиралась с точностью до 2% в диапазоне длин волн 590…750 нм. В первом случае луч света проходил через слой жидкости толщиной h=10 мм, во втором пленку h ~ 15 мкм. Зависимость разности фаз обыкновенного и необыкновенного лучей, прошедших через слой МЖ, от напряженности магнитного поля представлены на рисунке 3.4 при длине волны света 630 нм. Для определения среднего размера частиц находилось среднее значение параметра Ланжевена магнитной жидкости, представляли в координатах и для этого результаты 1/H . По точке пересечения аппроксимирующей прямой при малых 1/H с осью абсцисс (рис. 3.5) определялось значение H= kT/m: для первого образца МЖ ( h=810-5 Fe3O4) H=12 кА/м, а для второго ( h=0,06) H=7,7 кА/м, что соответствует радиусам коллоидных частиц магнетита порядка 5 нм и 5,5 нм. Полученные значения согласуются с результатами определения среднего диаметра частиц методом переменного магнитного поля (см. таблицу 2.1). Была проведена оценка оптической анизотропии коллоида магнетита по модели невзаимодействующих частиц, согласно методики и формул работы [20] ( приложение 1). Предполагалось, что частицы твердой фазы имеют форму одинаковых эллипсоидов вращения, располагаются параллельно. Отношение полуосей оси которых эллипсоидов было выбрано равным 1,3 , что соответствует данным работ [8, 24] и согласуется с результатами исследования МЖ на электронном микроскопе (см. гл. 2.1). В расчетах учитывалось поглощение в твердой фазе и жидкой среде. Были использованы значения оптических параметров массивного магнетита, приведенные в работе [140]. Рассчитанная величина оптической анизотропии n имеет один порядок с экспериментальными данными (рис. 3.2 кривая 4), но рассчитанные спектральные зависимости n () не имеют экстремума в области длин волн 500 нм. Учет возрастания коэффициента поглощения массивного образца магнетита Fe2O3 в коротковолновой области спектра [140], согласно расчета, только уменьшает эффект ДЛП МЖ в этой области. Наблюдаемое в коротковолновой экспериментальной работе увеличение n () области можно объяснить значительной спектра в дисперсией коэффициента преломления магнетита в магнитной жидкости, но это не отмечено для массивного образца. Были проведены исследования оптической плотности растворов МЖ в диапазоне световых волн = 0,4…0,8 мкм (рис 3.7), которые показали увеличение экстинкции светового потока в синей области спектра. Изменение поляризации света, проходящего через слой МЖ, может быть связано с особенностью светорассеяния, которое наблюдалось в магнитных жидкостях данного типа. Спектральная зависимость интенсивности рассеиваемого света в направлении 45 от оси пучка для исследованных растворов МЖ представлена на рисунке 3.8. Данная спектральная зависимость интенсивности света также имеет характерный экстремум в области длин волн 500 нм. Анизотропию коэффициента экстинкции света в пленке МЖ ( h = 25 мм) с концентрацией твердой фазы h=810-5 Fe3O4 исследовали в магнитном поле напряженностью 160 кА/м , направленном перпендикулярно лучу света. Измерения проводили в поляризованном свете при направлениях электрического вектора в световом луче: перпендикулярном и параллельном направлению магнитного поля. Зависимость отношения коэффициентов пропускания МЖ в магнитном поле при указанных направлениях поляризации света Tr TrII от длины волны света представлена на рис. 3.9 , она также имеет характерный экстремум в области 500 нм. В проведенных экспериментах использовался свет лазера с 630нм. Как показано в работе [13] коэффициент пропускания света Tr пленкой магнитной жидкости толщиной h может быть записана в виде e Tr exp(h(sck abk )) . Эффективное сечение рэлеевского рассеяния света sck при размере коллоидных частиц ~ 10 нм пренебрежимо мало по e сравнению с эффективным сечением поглощения света abk , обусловленного электрической поляризацией частиц. Однако такая оценка относится к отдельным частицам, а для агрегатов частиц, состоящих из сотен коллоидных частиц, упомянутое слагаемое следует учитывать. В этом случае появляется явление дитиндализма, т.е. зависимость количества рассеянной агрегатом световой энергии от его ориентации относительно электрического вектора световой волны, что значительно осложняет наблюдение ДЛП и собственного дихроизма коллоидных частиц. Таким образом, спектральные зависимости двойного лучепреломления и для разбавленной концентрированной МЖ МЖ в типа «магнетит тонком слое в по керосине», характеру и для идентичны. Зависимости имеют экстремум в области длин волн 500 нм, который оказалось невозможно объяснить только анизотропией поляризуемости коллоидных частиц, потребовалось предположение, что эта особенность обусловлена наличием агрегатов частиц твердой фазы в МЖ, которые образуются под действием магнитодипольных сил. Это подтверждается исследованием рассеяния света образцами МЖ и коэффициента экстинкции. 1.3 Изменение оптических параметров композиции: тонкая пленка полупроводника SnO2 и пленка магнитной жидкости при действии электрического и магнитного полей В данной части работы исследовалось прохождение плоско поляризованного потока света через тонкую пленку концентрированной МЖ в оптической ячейке (рис. 2.3), при воздействии магнитного и электрического полней. Луч света проходил через оптическую систему, состоящую из ячейки с МЖ, которая помещалась между поляроидами, оптические оси которых были сонаправлены. Толщина пленка магнитной жидкости типа «магнетит в керосине» с объемной концентрацией твердой фазы 0,02 или 0,1 составляла 30 мкм. Монохромный поток света направлялся перпендикулярно на поверхность ячейки, что юстировалось по отклонению отраженного луча от внешней поверхности стекла. На рисунке 3.10 представлены зависимости изменения пропускательной способности системы от длины световой волны при воздействии магнитным полем Н=8,6 кА/м. Изменение пропускательной способности определялось как отношение значения интенсивности света, прошедшего через систему при включенном внешнем магнитном поле на значение интенсивности при отсутствии его. Результаты исследования показали, что для обыкновенной волны, плоскость поляризации которой перпендикулярна вектору напряженности магнитного поля, коэффициент пропускания увеличивается при включении магнитного поля в области длин волн = 600…800 нм, а для необыкновенной волны уменьшался. Это согласуется с результатами, представленными в работе [3]. Наблюдаемое уменьшение коэффициента пропускания как для обыкновенной так и необыкновенной составляющих световой волны в области длин волн = 450…550 нм при действии магнитного поля, можно предположить, связано с увеличением геометрических размеров агрегатов в пленке МЖ. Результаты исследования воздействия электрического поля и совместно электрического и магнитного полей на пропускательную способность пленки МЖ представлены на рисунке 3.11. Электрическое поле в ячейке создавали подавая постоянное напряжение 2 В на прозрачные электроды SnO2 . Периодический характер смены областей возрастания и убывания пропускания воздействии оптической электрического поля системы от указывает длины на волны при многолучевую интерференцию света в пленке прозрачного электрода SnO2 и на изменение оптических параметров МЖ в приэлектродной области. Для дальнейшего исследования электро- магнитооптических свойств МЖ была выбрана область длин волн 600…650 нм, где отмечены наименьшие изменения пропускательной способности при внешних воздействиях электрического и магнитного полей. На рисунке 3.12 приведены спектральные зависимости отражательной способности Rотн() оптической ячейки, нормированного на коэффициент отражения границы раздела стекло - Al . Приведенные зависимости получены для системы стекло - пленка SnO2 - МЖ с объемной концентрацией магнитной фазы h= 0,04 , так и для системы стекло - SnO2 - керосин (кривая 1). Измерения проводились при угле падения света = 29. Видно типичное для интерференции света чередование максимумов и минимумов на зависимости относительной отражательной способности от длины волны падающего света. Величина и положение экстремумов на зависимостях R() определяются величиной коэффициента преломления всех сред и толщиной интерференционного покрытия SnO2 , а также углом падения света [143]. Варьирование угла падения света на пленку от 24 до 39 приводило к смещению спектральных кривых отражения в коротковолновую область спектра на = 40…50 нм. Из рисунка 3.12 видно, что, хотя и в значительно меньшей степени, положение экстремумов зависит от величины приложенного электрического поля и концентрации твердой фазы в МЖ. Это отражает факт влияния изменения структуры и концентрации магнитных частиц в граничном слое на величину - фазового смещения при отражении света от границы пленка SnO2 - жидкость. Как видно из рисунка, наиболее характерным является то, что увеличение электрического поля от нуля до некоторого критического значения Екр, при котором появляется гидродинамическая неустойчивость МЖ, приводит к уменьшению отражения в сине-зеленой области спектра и увеличению в красной. Результаты, показывающие влияние на оптические свойства МЖ полярности приложенного к ячейке напряжения, относительно электрода на который падает свет, приведены на рис. 3.13 (угол падения света на прозрачный электрод SnO2 = 29). Для большей наглядности на рисунке приведены зависимости «монохроматического контраста», определяемого выражением K() (R R 0 ) (R R 0 ) , где R - измеряемое, а R0 - эталонное (для системы стекло - SnO2 - керосин) значения коэффициентов отражения. Результаты получены для магнетитовой МЖ с объемной концентрацией магнитной фазы h = 0,04 . Видно, что смена полярности приложенного к электродам напряжения (рис. 3.13, а и б) существенно не меняет картины отражательной способности прозрачного электрода SnO2 при увеличении электрического поля, а следовательно, в приграничной области МЖ у обоих электродов протекают подобные процессы изменения структуры и концентрации твердой фазы. Исследование МЖ с разной концентрацией магнитной фазы в отсутствие электрического поля показало, что увеличение объемной концентрации МЖ приводит к результатам, аналогичным увеличению электрического поля (рис. 3.13, в). Результаты исследования влияния магнитного поля Н = 160 кА/м на отражательную способность поверхности ячейки представлены на рис.3.14. Здесь «монохроматического контраста» приведены с МЖ (h= 0,04) кривые зависимости K , определяемого при действии электрического поля как K IE I 0 , (3.1) minIE , I 0 и контраста K , определяемого при действии магнитного поля как K IH I 0 , (3.2) minIH , I 0 где IE , IH – интенсивность отраженного света при наличии электрического или магнитного полей, I 0 - то же самое в отсутствии поля. Как следует из приведенных результатов, магнитное поле оказывает значительно меньшее влияние на отражательную способность МЖ чем электрическое. Кроме того, при совместном действии магнитного и электрического полей «монохроматический контраст» K зависит от величины напряженности постоянного электрического поля. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Магнитооптические деформационные эффекты обычно сопутствуют магнитооптическим ориентационным эффектам, создание новых оптических преобразователей на этой основе. Оптическая композиция, состоящая из интерференционной, проводящей электрический ток пленки SnO2 и магнитного коллоида, меняет свои оптические свойства при воздействии на МЖ внешних электрического и магнитного полей за счет изменения структуры и концентрации магнитных частиц в приэлектродной области. Список использованной литературы 1. Блум Э.Я. , Майоров М.М. , Цеберс А.О. Магнитные жидкости. - Рига: Зинатне, 1989. - 386 с. 2. Скибин Ю.Н. Молекулярно-кинетический механизм электро- и магнитооптических явлений в магнитных жидкостях.: Автореферат диссертации … доктора физ.-мат. наук.- Ставрополь, 1996. -34 с. 3. Падалка В.В. Ерин К.В. Двулучепреломление в магнитной жидкости в магнитном поле// Журнал «Весник СГУ»: Физика. Ставрополь, 1999. - С. 92-97. 4. Цеберс А.О. К вопросу об образовании коллоидами ферромагнетиков периодических структур в плоских слоях // Магнит. гидродинамика. - 1986. - №4. - С. 132-135. 5. Горобец Ю.И., Ильчишин О.В., Макмак И.М. Особенности процесса структурообразоывания в пленках ферромагнитной жидкости // Магнит. гидродинамика. – 1988. – № 4. – С. 44-48. 6. Духин С.С., Эстрела-Льопис В.Р., Жолковский Э.К. Электроповерхностные явления и электрофильтрование. - Киев: Наук. думка, 1985. - 288 с. 7. Кандаурова Н.В. Внутренние поля и концентрация дисперсной фазы магнитной жидкости вблизи поверхности в магнитном поле // Сборник научных трудов. Серия Физико-химическая : Ставропольский гос. тех. ун-т. - Ставрополь, 1998. - С. 31-35. 8. Гриценко Н.И., Гуленко И.Н., Мошнль Н.В. Перенос и накопление заряда в жидких кристаллах// Известия вузов. Физика. - 1989. - № 7. - С. 9-12. 9. Диканский Ю.И., Ларионов Ю.А., Суздалев В.И., Полихрониди Н.Г. Двойное лучепреломление в структурированный магнитной жидкости в сдвиговом течении // Коллоидный журнал. - 1998.Т. 60, № 6. - С. 753-756. 10. Кожевников В.М., Ларионов Ю.А., Чеканов В.В. Электроотражение тонкого слоя магнитной жидкости в ИК - диапазоне // VI Всесоюзная конференция по магнитным жидкостям. Тезисы докладов. – Плес, 1991. – С. 15-16.
