ФИЗИКА/ 2.Физика твердого тела.

д.ф-м.н. Горобец Ю.И.¹, д.ф-м.н. Горобец О.Ю.¹, Легенький Ю.А.²

¹Национальный технический университет Украины «КПИ»; Украина;

²Донецкий национальный университет, Украина.

Влияние размера градиентной насадки на формирование в растворе областей с повышенной концентрацией ионов

В работах [1, 3] обнаружена гетерогенная цементация металлов в градиентном магнитном поле, а в работах [2, 3] обнаружено гетерогенное растворение ферромагнитных [2] и неферромагнитных [3] металлов в градиентном магнитном поле. Результаты данных исследований можно интерпретировать как образование квазиравновесных двухфазных состояний электролита в окрестности металлической поверхности в неоднородном магнитном поле, отличающихся по концентрации ионов металлов в растворе и магнитной восприимчивости растворов в соседствующих областях. Теория, описывающая процессы формирования таких квазиравновесных гетерогенных состояний раствора в градиентных магнитных полях, на данный момент только формируется, поэтому весьма актуально накопление экспериментальных данных о поведении квазиравновесных областей растворов с различной концентрацией ионов при варьировании условий эксперимента. В настоящей работе была поставлена задача исследовать влияние размера высокоградиентной ферромагнитной насадки (ВГФН), которая создает градиентное магнитное поле, формирующее области с повышенной концентрацией ионов железа в растворе медного купороса при контактном осаждении меди на стальную ВГФН во внешнем магнитном поле, на зависимости от времени геометрических параметров этих областей.

Условия эксперимента. Установка для измерений и способ визуализации областей раствора с повышенной концентрацией ионов железа описаны в работе [1]. Формирование и визуализация таких областей производилась при осаждении медных дендритов из раствора медного купороса CuSO₄*5H₂O на стальную ВГФН. В качестве ВГФН использовались шарики шарики разных диаметров из стали ШХ-15 (состав химических добавок к железу соответствует ГОСТ 801-78). Концентрация раствора: 5 г CuSO₄ * 5H₂O на 100 мл раствора. Объем раствора, заливаемый в кювету 20 мл. Для визуализации областей с повышенной концентрацией ионов Fe в кювету добавляли 0,1 мл 5% раствора AgNO₃. Измерения проводились для ВГФН с диаметрами 2, 3, 4 и 6 мм. Напряженность внешнего магнитного поля во всех опытах составляла Н=2500 Э. Измерение параметров областей раствора с повышенной концентрацией ионов Fe производилось по фотографиям. Пример одной из фотографий с обозначениями измеряемых параметров приведен на рисунке 1. На рисунке 1 видно, что области повышенной концентрации ионов Fe имеют куполообразный вид. Поэтому в дальнейшем изложении будем для краткости называть их «куполами».

Рисунок 1. Формирование областей с повышенной концентрацией ионов Fe.

Фотографирование производилось в процессе формирования «куполов» при заданном и неизменном значении напряженности внешнего магнитного поля через интервалы t = 5-15 секунд в зависимости от скорости изменения размеров «куполов». На каждой фотографии измерялся продольный параметр А - размер «купола» вдоль направления магнитного поля, а также видимый диаметр шарика D. Затем, при построении графиков, параметр А нормировался на значения соответствующего видимого диаметра D. На рисунке 2 представлены усредненные зависимости от времени параметра А/D для исследованных шариков, отражающие развитие во времени процесса формирования областей с повышенной концентрацией ионов железа. Из рисунка 2 видно, что для всех исследованных шариков процесс развития областей с повышенной концентрацией ионов железа происходит в начальный период ускоренно (возрастающий участок кривых 1-4), а затем наступает квазиравновесное состояние, продолжительность существования которого зависит от размера ВГФН и условий эксперимента (горизонтальный участок кривых 1-4).

Рисунок 1. Зависимости от времени параметра А/D. Кривая 1 – D=2 мм, Кривая 2 – D=3 мм, Кривая 3 – D=4 мм, Кривая 4 – D=6 мм

Оптические наблюдения показывают, что в процессе формирования «куполов» происходят конкурирующие процессы, заключающиеся в заполнении куполов ионами Fe, вышедшими из поверхности стального шарика, за счет магнитофоретического движения их в градиентном магнитном поле и ухода этих ионов из области «куполов» вследствие конвективного и диффузионного рассеяния. На начальном этапе (участок возрастания на кривых 1-4) превалирует процесс заполнения «куполов». На этапе квазиравновесия скорости прихода и ухода ионов Fe в области «куполов» - выравниваются. На последующих этапах наблюдается существенное деформирование формы «куполов» и размытие их границы. Из рисунка 2 видно, что сравнивать размеры «куполов» в одинаковые моменты времени, прошедшего после начала процесса, невозможно, так как время формирования «куполов» и время их квазиравновесного существования зависят от размеров ВГФН. Для исследования зависимости размеров «куполов» от размеров ВГФН необходимо проводить их сравнение на этапах квазиравновесности, но до этапа развала. Из рисунка 2 видно, что для интервалов времени, соответствующих квазиравновесному состоянию (горизонтальным участкам кривых 1-4), отношение продольного размера купола к его диаметру А/D при увеличении размеров шара уменьшается. Это результат можно объяснить уменьшением градиента напряженности магнитного поля при увеличении размера шарика, создающего этот градиент. Также из рисунка 2 видно, что время начального этапа формирования, на котором происходит наиболее быстрый рост «купола», увеличивается при увеличении размера ВГФН. Следовательно скорость роста продольного параметра А уменьшается при увеличении размеров шарика, что также наглядно видно из рисунка 2 по уменьшению угла наклона кривых на начальном этапе.

Литература

1. Горобец Ю.И. Анизотропное осаждение дендритных покрытий в градиентном магнитном поле из пара –и диамагнитных растворов. / Ю.И.Горобец, С.В.Горобец, Ю.А.Легенький, Ю.Н.Пименов // Вісник Донецького національного університету Сер. А: Природничі науки. -2009.- вип. 1 -С. 266-271.

2. Ilchenko M. Yu. Influence of external magnetic field on the etching of a steel ball in an aqueous solution of nitric acid. / M. Yu. Ilchenko, O. Yu. Gorobets, I.A. Bondar and A.M. Gaponov // JMMM.- Volume 322, Issue 14, P. 2075-2080

3. Горобец С.В. Управление локальной концентрацией ионов в растворе градиентным магнитным полем. / С.В.Горобец, Ю.И. Легенький, Ю.Н.Пименов // Perspektywiczne opracowania nauki i techniki-2008: Mater. IV miedzynar. nauk.-prakt. konf. (07-15 listopada 2008 r.), vol. 12, Przemysl, Polska, 2008», т.12, С. 66-68.