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, Пименов Ю.Н.²

¹Национальный технический университет Украины «КПИ»; Украина;

²Донецкий национальный университет, Украина.

Влияние напряженности магнитного поля на временные зависимости размеров областей раствора с повышенной концентрацией ионов

Прохождение электрохимических реакций в градиентных магнитных полях имеет ряд особенностей, связанных с влиянием магнитных полей на конвективное движение электролитов, сопровождающее электрохимические реакции [1-4]. В частности в работах [3, 4] показано, что ферромагнитное тело, помещенное в электролит, намагничиваясь во внешнем магнитном поле, формирует вблизи себя области раствора с измененной концентрацией ионов по отношению к объемной концентрации этих ионов. Процесс формирования таких областей можно наблюдать, используя методику подкрашивания выбранного вида ионов [4]. Для создания теоретических моделей формирования областей с измененной концентрацией ионов раствора в градиентных магнитных полях необходимо накопление экспериментальных данных по поведению геометрических параметров таких областей при варьировании условий эксперимента. Целью настоящей работе являлось исследование влияния напряженности магнитного поля на временные зависимости геометрических размеров областей с повышенной концентрацией ионов железа, которые формируются в процессе цементационного осаждения меди на стальную ферромагнитную сферу из раствора медного купороса CuSO₄ * 5H₂O. В работе [4] показано, что такие области имеют вид «куполов». Поэтому в дальнейшем изложении для краткости будем использовать это название.

Эксперименты проводились на установке описанной в работе [4]. Осаждение медных дендритов производилось из раствора CuSO₄ * 5H₂O на стальной шар (сталь ШХ-15, ГОСТ-801-78) диаметром 4 мм. Концентрация раствора: 5 г CuSO₄ * 5H₂O на 100 мл раствора. Объем раствора, заливаемый в кювету 20 мл. Для визуализации «куполов» в кювету добавляли 0,1 мл 5% раствора AgNO₃. В процессе формирования «куполов» производилось их фотографирование и измерение размеров вдоль и перпендикулярно направлению магнитного поля. Напряженность магнитного поля изменялась в пределах от 1000 Э до 3500 Э. На рисунке 1 представлены фотографии последовательных стадий формирования «куполов», на которых отражены характерные этапы этого процесса.

А) H=2500 Э, t=40 сек.	Б) H=2500 Э, t=100 сек.
В) H=2500 Э, t=400 сек.	Г) H=2500 Э, t > 1000 сек.

Рисунок 1. Последовательность снимков, отражающая этапы формирования областей с повышенной концентрацией ионов Fe

Начальный этап характеризуется существенно неоднородной оптической структурой (если смотреть по оптической плотности заполнения объема «купола» см. рисунок 1А и 1Б). Например, на рисунке 1Б можно выделить оптически более плотный слой «купола» и бледное гало, окружающее этот слой. Затем наблюдается этап стабилизации «купола» с достаточно четкими краями (рисунок 1В). При последующем наблюдении через некоторое время «купол» начинает деформироваться, размываться и бледнеть (рисунок 1В).

На каждой фотографии измерялись продольный параметр А - размер «купола» вдоль направления магнитного поля, поперечный параметр В, а также видимый диаметр шарика D (обозначения измеряемых параметров приведены на рисунке 1Г). Затем, при построении графиков, параметры А и В нормировались на значения соответствующего видимого диаметра D.

На рисунке 2А и 2Б представлены зависимости от времени для параметров А/D(t) и В/D(t) соответственно для нескольких значений намагничивающего внешнего поля Н = 1400 Э, 2000 Э, 2500 Э и 3500 Э . При рассмотрении рисунка 2 можно отметить наличие участков с разными скоростями роста А/D(t) и В/D(t). Начальный участок быстрого роста А/D(t) - это этап формирования «купола» (соответствует фотографиям 1А и 1Б). Затем на кривых рисунка 2 видим выполаживание кривых. Это этап стабилизации (квазиравновесия) «куполов» (соответствует фотографии 1В).

А	Б

Рисунок 2. - Зависимости от времени относительных размеров «куполов» А/D и В/D (А и Б соответственно) при нескольких значениях внешнего намагничивающего поля. Кривая 1 – Н=1400 Э, Кривая 2 – Н=2000 Э, Кривая 3 – Н=2500 Э, Кривая 4- Н=3500 Э

Из рисунка 2А видно, что при увеличении напряженности магнитного поля увеличивается угол наклона на участках возрастания кривых (1-4), следовательно, увеличивается скорость роста «куполов» на начальном этапе формирования. Также из рассмотрения рисунка 2 видно, что параметры А/D и В/D, характеризующие продольный и поперечный размеры «куполов», измеренные на участках квазиравновесия, растут при увеличении напряженности внешнего намагничивающего поля.

Литература

1. Microscale Confinement of Paramagnetic Molecules in Magnetic Field Gradients Surrounding Ferromagnetic Microelectrodes / M. D. Pullins, K. M. Grant, and H. S. White // J. Phys. Chem. B 2001, 105, 8989 8994

2. Effect of Magnetic Convection on Metal Substitution Reaction under Intense Magnetic Field / Toshiyuki KOZUKA, Toyohiro SAKAI, Reiko MIYAMURA and Masayasu KAWAHARA // ISIJ International, Vol. 43 (2003), No. 6, P. 884–889.

3. Горобец Ю.И.Формирование медных покрытий железных образцов в неоднородном магнитном поле. / Горобец Ю.И., Горобец С.В., Легенький Ю.А., Лобода С.Н., Пименов Ю.Н // Металлофизика и новейшие технологи. -2006.- т.28, №12.-С. 1615-1621

4. 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.