Быстрый поиск

Дипломная работа: Исследование свойств магнитных жидкостей методом светорассеяния

Рассматривается два случая:

1. Луч света падает горизонтально на исследуемый образец, т.е. перпендикулярно оси кюветы.

2. Луч света падает вертикально, т.е. параллельно оси кюветы.

Во втором случае для формирования вертикально падающего луча на его пути помещается зеркало под углом 450.

Методика измерений состояла в измерении интенсивности света, рассеянного образцом магнитной жидкости в зависимости от угла наблюдения. Измерения проводились от 200 до 1600 с шагом в 100.

Падающий свет был поляризован перпендикулярно или параллельно плоскости рассеяния.

По полученным данным построены индикатрисы рассеяния, представленные на рис. 2.

Мерой несимметричности индикатрисы рассеяния являлось отношение интенсивностей рассеянного света под углами 450 и 1350 к направлению распространения света, поляризованного

При изменении угла рассеяния изменялся рассеивающий объем. Для приведения к одинаковому объему результаты измерения умножались на .

По данным Ю.Н. Скибина:

По полученным данным .

Рис.2 Индикатрисы рассеяния

Из полученных диаграмм видно, что рассеяние подчиняется закону Рэлея и может быть описано формулами классической электродинамики.

Расчет коэффициента деполяризации

Согласно классической теории рассеяния в газах [10] к рассеянию света на флуктуациях плотности добавляется еще рассеяние на флуктуациях ориентации. Теория рассеяния света в газах с анизотропными молекулами была развита Борном и Гансом.

Рис. 1

N

Рассеянный луч

Рассмотрим случай, когда

падающий свет линейно поляри-

Падающий свет

зован. Пусть - электрический

вектор падающей волны (Рис.1).

Это поле индуцирует в молекуле

дипольный момент , направление

которого уже не совпадает с

направлением поля . Различные

молекулы ориентированы по

разному, поэтому и дипольные

моменты будут иметь различные

направления. На пути рассеянного

луча поставим поляризационную призму N, чтобы привести к одному направлению поля излучения различных диполей. Обозначим через - единичный вектор, который лежит в плоскости поляризации, который лежит в плоскости поляризации призмы N и направлен перпендикулярно и рассеянному лучу. Расчет ин6тенсивности рассеянного света за поляризационной призмой дает следующий результат:

(1)

где V – рассеивающий объем газа; - концентрация молекул; - радиус-вектор, имеющий направление от рассеивающей частицы в точку наблюдения; - длина волны рассеивающего света; - угол между векторами и ; - средняя поляризуемость и - оптическая анизотропия молекул:

(2)

Таким образом, полная интенсивность светорассеяния газа состоит из суммы двух слагаемых: рассеяния от флуктуаций плотности, которое пропорционально , и рассеяния от флуктуаций анизотропии, которое пропорционально . Для краткости называют рассеяние света на флуктуациях изотропным рассеянием, а рассеяние на флуктуациях ориентации – анизотропным рассеянием света.

Обычно изучают рассеяние света под прямым углом. Проведем координатные оси х, у, z (Рис.2) и направим ось х вдоль луча, а ось у – по направлению

рассеянного луча.

Рис.2.

Рассмотрим рассеяние света в двух случаях: электрический вектор падающей волны направлен по оси z и этот же вектор направлен по оси у.

1. Электрическое поле падающей волны направлено по оси z.

Поместим на пути рассеянного света поляризационную призму и повернем ее так, чтобы в одном случае вектор поляризации был направлен по оси х, а во втором случае – по оси z. Обозначим соответствующие интенсивности рассеянных лучей через и . Для х – компоненты рассеянного луча и из (1) получаем:

(3)

Для z – компоненты и

(4)

Полная интенсивность равна сумме интенсивностей:

(5)

2. Электрическое поле падающей волны направлено по оси у.

Ориентируем поляризационную призму так, чтобы сначала вектор поляризации был направлен по оси х, а потом по оси z. В обоих случаях и поэтому

(6)

и полная интенсивность

(7)

3. Коэффициент деполяризации.

В случае, когда падающий луч поляризован так, что его электрический вектор направлен по оси z, а наблюдение рассеянного луча происходит по оси у, коэффициент деполяризации обозначают через :

(8)

В другом случае, когда электрический вектор в падающем луче направлен по оси у (горизонтально), совпадающим с направлением наблюдения рассеянного луча, коэффициент деполяризации обозначается и согласно формуле (6)

(8 / )

Наконец, когда падающий луч неполяризован, то из формул:

(9)

получим

(10)

Если молекулы изотропны, то и .

Связь между коэффициентами деполяризации и следующая:

(11)

Измерение коэффициента деполяризации или позволяет рассчитать оптическую анизотропию молекул :

Экспериментальное определение коэффициента деполяризации

Экспериментально определение коэффициента деполяризации света, рассеянного МЖ производилось с помощью фотоэлектрического метода. Источником света служил гелий-неоновый лазер мощностью 2 мВт, установленный так, чтобы колебания светового вектора происходили в плоскости XOZ, как указано на рис. 2, вектор параллелен оси z. Интенсивность рассеянного света регистрировалась с помощью ФЭУ-27 под углом 900 к направлению распространения света (по оси у на рис. 2). Компоненты интенсивности рассеянного света и поляризованные соответственно параллельно осям z и х выделялись с помощью призмы Аренса, а коэффициент деполяризации определялся как отношение этих компонентов в соответствии с формулой (8):

Во втором случае лазер устанавливался так, чтобы колебания вектора излучения лазера происходили в плоскости YOZ, и вектор был направлен по оси у. Призма Аренса ориентировалась так, чтобы выделить компоненту (вектор поляризации направлен по оси х) и (вектор направлен по оси z). Коэффициент деполяризации определялся как отношение этих компонентов по формуле (8 / )

В третьем случае падающий луч был неполяризован (свет от лампы КГМ) т определялись две компоненты и соответствующей ориентировкой призмы Аренса, а коэффициент деполяризации определялся по формуле (10):

Для уменьшения погрешности измерения свет модулировался прерывателем и регистрировался ФЭУ-27, сигнал с которого подавался на вход осциллографа С8-13.

Исследованные МЖ представляли собой коллоидные растворы магнетита и феррита кобальта в керосине. Объемные концентрации исследованных образцов составляли:

Проведенные измерения показали, что значения коэффициентов деполяризации и составили:

Относительная ошибка измерений коэффициентов деполяризации составляет:

Расчет коэффициента деполяризации

Расчет коэффициента деполяризации для частиц магнетита со средним размером частиц 10 нм, апрокисмируемых эллипсоидами вращения с отношением осей , диэлектрической проницаемости магнетита на оптической частоте и диэлектрической проницаемостью керосина , по формуле классической теории деполяризации для газов:

выполнил Ю.Н. Скибин, который при заданных параметрах получил значение . Сравнив это значение с экспериментально наблюдаемым , Скибин пришел к выводу, что деполяризацию света, рассеянного МЖ на основе магнетита в керосине при объемной концентрации порядка – 0,1 % невозможно объяснить только анизотропией поляризуемости коллоидных частиц, и предложил учесть диполь-дипольное взаимодействие частиц, которое приводит к взаимной корреляции магнитных моментов, а следовательно и осей несферических коллоидных частиц. С этой целью вводится - средняя анизотропия тензора поляризуемости и коэффициент , учитывающий взаимодействие частиц, а формула для коэффициента деполяризации принимает вид: