Особенности взаимодействия сверхвысокочастотного излучения с магнитными коллоидными наносистемами

Во введении кратко обоснована актуальность разрабатываемой темы,
сформулированы цель и задачи работы, представлены научная новизна
исследования и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава носит обзорный характер. В ней представлен обзор
экспериментальных и теоретических работ, посвященных свойствам магнитных
жидкостей и созданных на их основе композитов. Особое внимание уделено
взаимодействию таких сред с магнитным и электрическим полями, проведен
подробный анализ работ, посвященных взаимодействию магнитных жидкостей с
электромагнитным излучением СВЧ-диапазона. Глава закончена анализом
проведенного литературного обзора и постановкой задач диссертационного
исследования.
Вовторойглавеописаныобъектыисследования,методыи
экспериментальные установки. Объектом исследования являлись однородные
магнитные коллоиды с магнетитовыми частицами в качестве дисперсной среды и
керосином в качестве дисперсионной среды. Исследовались также композиты,
созданные на основе магнитных коллоидов – магнитные эмульсии и магнитные
жидкости с мелкодисперсным наполнителем из проводящих частиц микронного
размера.
В третьей главе приведены результаты исследования коэффициентов
прохождения и поглощения СВЧ-излучения через однородные магнитные
коллоиды и их композиты. Проведены теоретические расчеты полевой
зависимости коэффициента прохождения T(H0) электромагнитных волн в
приближении теории возмущений, для случая, когда образец представляет собой
тонкую, сильно поглощающую пластинку, расположенную в прямоугольном
волноводе. В расчетах учитывалось, что восприимчивость магнитных коллоидов
является тензорной величиной.
На рисунке 1 представлены теоретически расчитанные и экспериментально
полученные зависимости относительной величины коэффициента прохождения от
напряженностивнешнегомагнитногополяприразличныхобъемных
концентрациях твердой фазы в образце (экспериментальные зависимости
обозначены в виде точек; теоретические – гладкие кривые). Как видно из рисунка,
поглощение имеет резонансный характер и достаточно хорошо описывается
теорией ансамбля невзаимодействующих частиц только при очень малых
концентрациях. При увеличении концентрации уровень поглощенной энергии
значительно превышает предсказанный теоретически и, соответственно,
экспериментальнонаблюдаемое
значение коэффициента прохождения
оказываетсягораздоменьше
теоретическирассчитанного.
Расхождение становится более явным
помереувеличенияконцентрации
дисперснойфазы(рис.2).Это
обстоятельствоможносвязатьсРисунок1–Зависимость
относительнойвеличиныкоэффициента
наличиеммежчастичного
прохожденияволнычерезоднородный
взаимодействия, степень выраженности
коллоид от напряженности внешнего поля
которогозависитотобъемнойпри различных объемных концентрациях
концентрациичастицмагнетитавтвердойфазы.Экспериментальные
образцеинеучитываетсявзависимостиобозначеныввидеточек,

теоретическихпредставленияхрассчитанные теоретически – гладкие кривые.

используемой модели. При больших значениях внешнего магнитного поля частицы
коллоида объединяются в цепочечные агрегаты, и соответственно каждая частица
находитсявдополнительномполе
соседних частиц. Это добавочное поле в
свою очередь влияет на резонансную
кривуюпоглощения.Такимобразом,
согласование теоретических расчетов и
экспериментальных данных наблюдается
только при малых концентрациях (<3%). Далеепредставленырезультаты Рисунок2–Зависимость исследованияпоглощения минимального значения коэффициента электромагнитныхволнмагнитными прохождения от объемной концентрации твердойфазы(T0–значениеколлоидами и их композитами. Было коэффициента прохождения при H0 = 0,установлено, что деформация магнитных кривая 1 рассчитана теоретически, криваякапельэмульсииподвоздействием 2 получена экспериментально).внешнего магнитного поля существенным образом влияет на характер поглощения электромагнитного излучения. Как видно из рисунка 3а, полевая зависимость относительного изменения коэффициента поглощения при различных концентрациях  микрокапель эмульсии имеет значительные отличия от аналогичной зависимости для магнитной жидкости, использовавшейся для получения эмульсий (  = 100%). Интенсивная деформация магнитных капель в области полей 10 – 50 Э приводит к резкому увеличению поглощаемой энергии. При дальнейшем повышении магнитного поля увеличение деформации капель незначительно и процесс поглощения ведет себя аналогичным образом как для исходной магнитной жидкости. Рисунок 3 – Зависимость относительного изменения коэффициента поглощения эмульсии от напряженности внешнего магнитного поля при различных концентрациях θ дисперсной фазы – а; теоретическая зависимость коэффициента поглощения от напряженности внешнего магнитного поля при расчете одной деформируемой капли магнитной жидкости в прямоугольном волноводе – б. При теоретическом анализе наблюдаемых зависимостей рассмотрена система,представляющаясобойпрямоугольныйволновод,содержащий деформируемую внешним магнитным полем каплю магнитной жидкости. Задача расчета коэффициента поглощения в рамках теории возмущений сводится к определению векторов E и h электромагнитной волны внутри капли с учетом ее деформации под воздействием внешнего поля: h (1 + N ) − hY 0 NhX 0 N + hY 0 (1 + N )EZ 0 hX = X 0; hY =; EZ =, (1) N  + (1 + N ) 2 22 N  + (1 + N ) 2 22 − 1 1 + NZ 4 где N, NZ – факторы формы магнитной капли вдоль различных осей системы координат, являющиеся функцией напряженности внешнего магнитного поля; ε – диэлектрическая проницаемость магнитной жидкости на данной частоте. На рисунке 3б представлена зависимость коэффициента поглощения, рассчитанного для одной капли, от напряженности внешнего магнитного поля. Как видноизрисунка,наблюдаетсяхорошеекачественноесогласиес экспериментальными данными. Резкое увеличение поглощения при воздействии внешнего магнитного поля до 40 Э обусловлено деформацией магнитной капли вдоль вектора H0. В этом случае преимущественную роль играют диэлектрические потери, связанные с уменьшением деполяризующего фактора вдоль оси Oz. При дальнейшем возрастании магнитного поля изменение деформации формы вытянутой капли практически не происходит, и определяющими становятся магнитные потери. Сопоставление кривых, представленных на рис. 3а и 3б позволяет сделать вывод, что такая модель на качественном уровне объясняет результаты экспериментальных исследований коэффициента поглощения СВЧ- излучения магнитодиэлектрическими эмульсиями в приложенном магнитном поле. Четвертая глава посвящена исследованию отражения электромагнитных волн в СВЧ-системах с магнитными коллоидами и их композитами. Исследуемые жидкие образцы располагались в прямоугольном волновде в виде слоя, ограниченого с двух сторон диэлектрическими вкладками, прозрачными для СВЧ излучения. Для этого случая была получена теоретическая формула коэффициента отражения от пятислойной системы 0 0() (tanh ( Г L ) − 1) tanh ( Г L ) tanh ( ГL )Г  Г 2 + Г 2 − Г 2 Г 2 + 2 tanh ( Г Г )Г 2 Г Г − d d0 d dd 0d d 0 d   − 2 Г d3 Г tanh ( Г 0 L0 ) tanh ( Г d Ld ) + tanh 2 ( Г d Ld )ГГ0 ГГ0 tanh ( ГL ) + Г d2 tanh ( Г 0 L0 )   (2) R= 0 0(2 ) (tanh ( Г L ) + 1) tanh ( Г L ) tanh ( ГL )Г Г Г + Г + Г Г + 2 tanh ( Г L )Г Г Г +  d d0 d d d 0 d d 0 d    + 2 Г d Г tanh ( Г 0 L0 ) tanh ( Г d Ld ) + ГГ0 Г d tanh ( Г 0 L0 ) + tanh ( Г d Ld ) + 1 + 322   4 + Г d tanh ( Г 0 L0 ) tanh ( Г d Ld ) tanh ( ГL )  где Г 0 , Г d , Г – постоянные распространения волны в пустом пространстве, в диэлектрике c известными значениеми  d и  d = 1 , и в магнитной жидкости соответственно. На рис.4 представлена экспериментально полученная зависимость (в виде точек) коэффициента отражения эмульсии от напряженности постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно распространению излучения. По-видимому,характерполученнойзависимостиобусловленвлиянием деформации микрокапель магнитной эмульсии, наблюдающейся даже при небольшихнапряженностях приложенного постоянного поля. Теоретическиповедениетакой системы описано в приближении сплошной среды, так как длина волныСВЧ-излучения, использованногов экспериментальных исследованиях,гораздобольше Рисунок4–Зависимостьмодуля размеракапельмагнитнойкоэффициента отражения СВЧ излучения от слоя эмульсии (  R0 ) . На рис.5 кромемагнитной эмульсии от внешнего постоянного экспериментальнойзависимостимагнитного поля. Экспериментальная зависимость обозначена кружками, теоретическая – гладкая коэффициентаотраженияот кривая. напряженностивнешнего постоянного магнитного поля приведена также аналогичная зависимость, рассчитанная теоретически по формуле (2) (гладкая кривая). Их качественное согласие позволяет предположить, что резкий спад коэффициента отражения в области малых полей действительно связан с деформацией магнитных капель эмульсии под воздействием внешнего магнитного поля. При исследовании магнитной жидкости с мелкодисперсным проводящимнаполнителя было обнаружено, что наличие в коллоиде проводящих немагнитных частиц бронзы микронного размера приводит к существенному изменению зависимости коэффициента отражения от напряженности внешнего магнитного поля. На рис. 5 представлен график зависимостей модуля комплексного коэффициента отражения от напряженности внешнего магнитного поля при различных концентрациях немагнитных проводящих частиц (концентрация 0% соответствует исходному однородному образцу). Как видно из рисунка, в случаеоднородногоколлоида ~ графикзависимостиR (H 0 ) представляетсобоймонотонно слабо убывающую зависимость. Придобавлениипроводящих частиц характер этой зависимости изменяется, при этом в областиРисунок5–Зависимостьмодуля коэффициентаотраженияотнапряженности напряженностей50–75Э внешнего постоянного магнитного поля при наблюдаютсяэкстремумы,не различныхконцентрацияхнемагнитных характерныедляоднородногопроводящихчастицвкомпозитемагнитной образца. Сделан вывод, что этожидкости.Концентрация0%соответствует связано с возникновением в этомисходному однородному образцу. образцеупорядоченнойструктурыизнемагнитныхмикронныхчастиц (объединением их в агрегаты цепочечного вида). Отмечено, что при увеличении объемной концентрации проводящего наполнителя численное значение модуля коэффициента отражения существенно уменьшается, что приводит к понижению значения отраженной энергии от образца. Это связано с тем, что добавление проводящих частиц приводит к повышению проводимости образца, и как следствие, к более интенсивному затуханию электрической компоненты электромагнитной волны в образце. В пятой главе приведены результаты исследования эффекта Фарадея в магнитных коллоидах и их композитах. Обнаружены особенности проявления этого эффекта, характерные, по-видимому, только для дисперсных систем ферритов. Так, оказалось, что угол поворота плоскости поляризации волны при воздействии магнитного поля, направленного вдоль оси круглого волновода нелинейно зависит от объемной концентрации твердой фазы в образце (рис. 6а). Рисунок 6 – Зависимость угла поворота плоскости поляризации от объемной концентрации магнетита в исследуемом образце при воздействии постоянного внешнего поля H0 = 400 Э. а экспериментальная зависимость; б – теоретический расчет. Для сравнения на рисунке 6б приведена теоретически рассчитанная зависимость угла поворота плоскости поляизации при фиксированном значении напряженности магнитного поля от концентрации дисперсной фазы в рамках модели ансамбля невзаимодействующих изотропных частиц. Расчет проводился методом теории возмущений для системы круглого волновода, на оси которого расположена недеформируемая капля магнитной жидкости. Как видно из рисунка, в этом приближении зависимость угла поворота плоскости поляризации волны является линейной. Следовательно, можно утверждать, что нелинейность экспериментальной зависимости на рисунке 6а обусловлена проявлением межчастичных взаимодействий в образце, степень выраженности которых зависит от объемной концентрации ферромагнитных частиц. При исследовании эффекта Фарадея в магнитодиэлектрических эмульсиях было обнаружено, что изменение структурного состояния образца значительным образом влияет на характер зависимости угла поворота плоскости поляризации волны от напряженности внешнего поля (рис. 7а). Для интерпретации полученных результатов методом теории возмущений были проведены теоретические расчеты взаимодействия СВЧ излучения с одной деформируемой каплей феррожидкости, расположенной в центре круглого волновода в рамках модели ансамбля невзаимодействующих изотропных частиц (рис. 7б). Как видно из рисунка, наблюдаетсякачественноесогласиеэкспериментальныхитеоретической зависимостей. Это позволяет сделать вывод, что характерное резкое возрастание значения угла поворота плоскости поляризации волны с последующим выходом на насыщение обусловлено именно деформацией магнитных капель эмульсии. Рисунок 7 – Зависимость угла поворота плоскости поляризации волны, прошедшей через магнитные эмульсии с различной дисперсной средой, от напряженности внешнего постоянного магнитного поля (кривая 1 – МЖ на основе керосина, кривая 2 ¬ МЖ на основе ПЭС-3; дисперсионная среда в обеих эмульсиях – АМГ-10) – а. Теоретическая зависимость угла поворота плоскости поляризации волны от напряженности внешнего магнитного поля, расчитанная для одной деформируемой капли магнитной жидкости, расположенной на оси круглого волновода – б. ВЗаключениисформулированыосновныерезультатыивыводы диссертационной работы. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1.Установлено, что хорошее согласие экспериментально определенного коэффициента прохождения СВЧ-излучения через однородные коллоиды с теоретическими расчетами в рамках модели невзаимодействующих изотропных частиц наблюдается только при малых объемных концентрациях дисперсной фазы (<3%). При дальнейшем повышении концентрации поглощение электромагнитной энергии в таких образцах в условиях резонанса значительно выше теоретически предсказанного, что может быть связано с усилением магнитодипольного взаимодействия коллоидных частиц. 2. Установлена зависимость коэффициента поглощения от объемной концентрации магнитных капель в эмульсии. Показано, что изменение микрогеометрии эмульсии под воздействием внешнего магнитного поля существенным образом влияет на волновые процессы в волноводной линии передачи. В области слабых магнитных полей деформация магнитных капель приводит к росту коэффициента поглощения за счет существенного увеличения диэлектрических потерь в системе. Магнитные потери проявляют себя в более сильных магнитных полях и приводят к невзаимному поглощению. 3. Наблюдающиеся фазовые изменения для прямых и обратных волн, распространяющихся в магнитной эмульсии, имеют отличительные особенности в сравнении с аналогичными изменениями при распространении волн в твердых магнитодиэлектрических материалах. Воздействие даже слабого магнитного поля, вызывающего деформацию магнитных микрокапель эмульсии, приводит к обратному изменению фазы прямой волны, распространяющейся в эмульсии, что не характерно при распространении волн в сплошных средах. 4.Врамкахметодавозмущенийпроведентеоретическийанализ распространения электромагнитной волны H10 в прямоугольном волноводе, содержащем каплю магнитной жидкости, деформируемую внешним магнитным полем. Такая модель позволяет на качественном уровне объяснить результаты экспериментальных исследований коэффициента поглощения СВЧ-излучения магнитодиэлектрическими эмульсиями в приложенном магнитном поле. 5. Исследован эффект Фарадея, наблюдающийся при распространении СВЧ- волны в однородной магнитной жидкости и ее композитах. Проведены теоретические расчеты зависимости угла поворота плоскости поляизации при фиксированном значении напряженности магнитного поля от концентрации дисперсной фазы в рамках модели невзаимодействующих изотропных частиц, показано, что в этом приближении она является линейной. Экспериментально установлено, что на самом деле она претерпевает существенное отклонение от линейности, что объяснено влиянием межчастичных взаимодействий, степень выраженности которых зависит от объемной концентрации дисперсной фазы. 6. Выяснено, что в коллоидах, содержащих микрокапельные агрегаты, а также образцах, представляющих собой эмульсию магнитных коллоидов в немагнитной среде, пороговое значение объемной концентрации твердой фазы, при котором начинает наблюдаться поворот плоскости поляризации волны под воздействием магнитного поля, имеет более низкое значение, чем в однородных (не агрегированных) коллоидах. Кроме того, характер зависимости угла поворота плоскости поляризации волны H11 от напряженности приложенного магнитного поля в таких средах существенно отличается от аналогичной зависимости в однородных коллоидах, что связано с особенностью структурного состояния этих образцов и его изменением при воздействии магнитных полей. 7.Врамкахметодавозмущенийпроведентеоретическийанализ распространения электромагнитной волны H11 в круглом волноводе, содержащем каплю магнитной жидкости, деформируемую внешним магнитным полем. Показано, что такая модель позволяет на качественном уровне объяснить особенностиэкспериментальнополученныхзависимостейуглаповорота плоскости поляризации волны от напряженности внешнего магнитного поля при ее распространении в магнитодиэлектрических эмульсиях. 8. Экспериментально установлена и обоснована зависимость условия возникновения ферромагнитного резонанса от концентрации дисперсной фазы в однородной магнитной жидкости; при повышении концентрации явление резонанса наблюдается при более высоких значениях напряженности внешнего магнитного поля. 9. Обнаружено существенное различие характера зависимости коэффициента отражения от напряженности магнитного поля от магнитной жидкости с проводящим наполнителем и аналогичной зависимости коэффициента поглощения от однородного коллоида. В общем случае наличие в магнитной жидкости микронных проводящих частиц существенно понижает значение отраженной энергии электромагнитной волны от образца, что связано с увеличением мнимой компоненты комплексной диэлектрической проницаемости.