Просторова самоорганізація в твердому тілі в умовах впливу магнітного поля та електрохімічних перетворень

При цьому під час перебігу процесу квазіперіодичного мікроструктурування феромагнітних циліндрів як при прикладанні електричного поля, так і без нього експериментально спостерігалося утворення неоднорідних граничних умов на інтерфейсі метал - електроліт, що полягають в самоорганізованому просторово періодичному розподілі концентрації електроліту та продуктів корозії з періодом, що дорівнює періоду квазіперіодичної мікроструктури (рис.5).

Рис.5. Типове зображення квазіперіодичного розподілу концентрації електроліту вздовж осі сталевого циліндру, що кородує в розчині азотної кислоти в постійному магнітному полі

Розділ 6 також присвячено експериментальному дослідженню просторово квазіперіодичного характеру електрохімічної реакції розчину азотної кислоти зі сталевим зразком в постійному магнітному полі (рис.6).

Порівняння перебігу хімічної реакції розчину азотної кислоти зі сталевою поверхнею (корозії або травлення) без магнітного поля і в постійному магнітному полі за наявності багатовихрової динаміки розчину азотної кислоти здійснено в Розділі 6 дисертації. Зокрема, було проведено порівняння швидкості хімічного травлення сталі в азотнокислому електроліті при різних напруженостях прикладеного магнітного поля. Середня швидкість травлення в магнітному полі більша за швидкість травлення без магнітного поля. Прикладення магнітного поля викликає конвективне перемішування приелектродного шару розчину і відповідне прискорення масопереносу, збільшує швидкість і рівномірність травлення сталі. Використання постійного магнітного поля дає можливість прискорити процес травлення сталі до 100% без нагрівання і механічного перемішування розчину азотної кислоти.

Підсумком нових наукових результатів Розділу 6 є явище самоорганізації в феромагнітному металевому циліндрі, що експериментально спостерігалося при корозії в постійному зовнішньому магнітному полі і полягає в квазіперіодичному мікроструктуруванні кородованої поверхні та форми циліндру, і було пов'язано з існуванням неоднорідної структури магнітостатичних полів феромагнітного циліндра.

Розділ 7 “Контрольоване мікроструктурування електроосаджених тонких плівок в постійному магнітному полі” дає додаткове експериментальне підтвердження гіпотези про те, що періодичний розподіл магнітостатичних полів на поверхні зразка має призводити до утворення просторово періодичного рельєфу поверхні феромагнітного твердого тіла при перебігу процесів корозії та електроосадження в прикладеному постійному магнітному полі. Підтвердженням магнітостатичної природи багатьох ефектів, індукованих магнітним полем в умовах електрохімічних перетворень поблизу поверхні провідного феромагнетику, було б експериментальне спостереження періодичного мікро- та мезомасштабного структурування рельєфу поверхні твердого тіла в постійному зовнішньому магнітостатичному полі з контрольованим (заданим і теоретично розрахованим) просторово періодичним розподілом поблизу металевої поверхні. Перевірці і демонстрації важливої ролі ефектів самоорганізації магнітостатичного походження при електрохімічних перетвореннях присвячено даний розділ дисертаційної роботи.

Проведено дослідження структури нікелевих плівок, одержаних шляхом електролізу з сульфаматного електроліту під дією зовнішнього постійного та градієнтного магнітного поля. Установка складалась з електрохімічної комірки розташованої між полюсами електромагніту і сталевої матриці для створення контрольованого градієнту магнітного поля на поверхні катоду. У якості матриці використовувалась сталева сітка з дроту діаметром = 0,5 мм і розміром комірки l= 2 мм або система сталевих лез шириною 0,5 мм. Дно електрохімічної комірки виготовлене з мідної пластини товщиною близько 100 мкм, являло собою одночасно катод на який проводилось осадження. Для створення періодично розподіленого магнітного поля на поверхні катоду безпосередньо під дном електрохімічної комірки розташовувалась сталева матриця, тобто без контакту з електролітом. Порівняння структури поверхні покриттів проводилось за наступних умов електроосадження: без магнітного поля; в постійному однорідному магнітному полі та під впливом періодично розподіленого магнітного поля. Окрім електроосадження в однорідному магнітному полі були також проведені дослідження по осадженню в мікромасштабних градієнтному магнітному полі, яке створювалось шляхом намагнічування феромагнітної матриці (сітки) у зовнішньому постійному магнітному полі напруженістю 1 кЕ. Застосування градієнтного магнітного поля під час осадження дає можливість одержувати мікромасштабні дендритні області на поверхні катоду, в місцях максимальної напруженості магнітного поля. Періодично розподілене магнітне поле на поверхні катоду приводить до утворення періодично розподілених дендритних областей. Приведені результати виявляють вплив на парамагнітні іони електроліту саме мікромасштабних градієнтних магнітних сил, які фактично концентрують (накопичують) парамагнітні іони нікелю в областях поверхні катоду, де напруженість магнітного поля є найбільшою, аналогічно тому, як високоградієнтні магнітні фільтри захоплюють дрібнодисперсні парамагнітні частки. Також запропонована модель електроосадження керованої мікроструктури твердого тіла в постійному градієнтному магнітному полі.

В Розділі 7 зроблено висновки про те, що градієнтні магнітні сили, створені зовнішніми неоднорідними магнітостатичними полями контрольованої періодичної конфігурації призводять до періодичної модуляції структури поверхні електроосаджених тонких плівок нікелю на поверхні немагнітного мідного катоду з таким самим періодом.

В Розділі 8 “Прикладні аспекти формування вихрових структур поблизу поверхні твердого тіла в умовах впливу електрохімічних реакцій та постійного магнітного поля” для електроосадження та корозії мезо-, мікро- та наноструктурних функціональних матеріалів з періодичними просторово неоднорідними властивостями запропоновано використовувати ефекти самоорганізації в магнітному полі. Крім того обґрунтовано ідею використання процесів самоорганізації в умовах впливу на тверде тіло магнітного поля та електрохімічних перетворень для інтенсифікації фізико-хімічних процесів поблизу поверхні твердого тіла.

Наведено конкретні приклади електрохімічних процесів, інтенсифікацію та контроль яких можна здійснювати з застосуванням ефекту утворення просторово неоднорідних структур поблизу поверхні твердого тіла в умовах впливу магнітного поля.

Досліджено вплив багатовихрового перемішування розчину азотної кислоти на швидкість хімічної реакції зі сталевим циліндром.

Експериментально доведено, що відбувається інтенсифікація процесу біосорбції іонів міді з застосуванням сталевої матриці в постійному магнітному полі.

Експериментально виявлено, що можна здійснити інтенсифікацію процесу біосорбції іонів хрому з застосуванням сталевої матриці в постійному магнітному полі.

В результаті в Розділі 8 розроблено шляхи практичного використання ефектів самоорганізації в твердих тілах в умовах впливу електрохімічних перетворень та магнітного поля для виготовлення функціональних матеріалів з контрольованою формою та мікроструктурою поверхні. Зокрема просторово неоднорідне електроосадження нікелю в магнітному полі є перспективним способом створення феромагнітних матриць для високоградієнтних магнітних фільтрів. При цьому шляхом вибору величини та конфігурації зовнішніх магнітостатичних полів можна виготовляти нікелеві феромагнітні матриці з періодичною на мезомасштабах формою та сильно розгалуженою структурою поверхні на мікро- та мезомасштабах, що є важливим для феромагнітних матриць високої ємності. Крім того, експериментально показано, що індукований магнітним полем та багатовихровим перемішуванням електролітів просторово періодичний розподіл електричного потенціалу та густини струму сталевих циліндрів можна використовувати для інтенсифікації процесу біосорбції іонів міді дріжджами Saccharomyces cerevisiae. Результати Розділу 8 не вичерпують всіх можливих практичних застосувань індукованих магнітним полем та електрохімічними перетвореннями процесів самоорганізації в твердих тілах, яким присвячена дана дисертація, а тому в Розділі 8 розроблено тільки декілька з можливих аспектів практичного значення цієї області досліджень.

Висновки

В результаті проведення наукових досліджень за темою дисертаційної роботи вирішена проблема комбінованого впливу зовнішніх факторів, таких як магнітні поля та електрохімічні перетворення, на структуру, фізичні властивості твердих тіл в умовах просторової самоорганізації та виявлення фізичних механізмів, що визначають виникнення індукованих спільною дією постійного магнітного поля та електрохімічних перетворень ефектів самоорганізації в твердому тілі від мезо- до мікромасштабів. Основні наукові й практичні результати можна сформулювати в вигляді таких висновків:

В умовах впливу постійного однорідного магнітного поля та електрохімічних перетворень в провідному твердому тілі експериментально знайдено та теоретично описано нові ефекти утворення самоорганізованих просторово квазіперіодичних розподілів електричного поля та густини струму, а також ефекти просторово квазіперіодичного структурування форми провідного твердого тіла та його поверхні з ієрархією масштабів від мезо- до мікромасштабів.

Розвинута теоретична модель просторово періодичного розподілу електричного потенціалу та густини струму в просторово однорідному твердотільному провідному циліндрі та в оточуючому електроліті в умовах одночасного впливу постійного однорідного магнітного поля та електрохімічних перетворень встановлює взаємозалежність розподілу швидкостей електроліту з розподілом електричного потенціалу та густини струму в зразку та описує такі закономірності:

o розподіл швидкостей електроліту, зміну напрямку обертання вихрової структури на протилежний при зміні напрямку магнітного поля на протилежний;

o співпадіння характерного масштабу просторово періодичного розподілу електричного потенціалу та густини струму по міжфазній поверхні провідник - електроліт з характерним масштабом згасання потенціалу та густини струму в середині зразка та з характерним масштабом згасання швидкості електроліту з відстанню від поверхні зразка, що дає можливість використовувати розподіли швидкостей електроліту в магнітному полі для визначення розподілу електричних полів та струмів в провідному твердому тілі.

При цьому шляхом спостереження закономірностей утворення квазіперіодичної мезомасштабної структури (вихрових потоків розчину азотної кислоти навколо твердотільного провідного циліндру при його корозії в постійному магнітному полі) було вперше експериментально виявлено ефект утворення під одночасним впливом магнітного поля та електрохімічних перетворень самоорганізованих просторово квазіперіодичних розподілів електричного поля та відповідно густини струму в провідному твердому тілі і встановлено їх наступні характеристики:

o ефект спостерігається виключно в умовах одночасного впливу магнітного поля та електрохімічних перетворень і тільки на провідниках, тобто відсутній в діелектричних зразках або в експериментах з поверхнею зразка, ізольованою шаром діелектрику;

o ефект спостерігається як для феромагнітних так і для “немагнітних” зразків;

o характерний просторовий період квазіперіодичного розподілу електричного поля та густини струму в провідному циліндрі на порядок більше ніж діаметр циліндра, кількість просторових періодів збільшується зі збільшенням довжини циліндру, а також збільшується стрибкоподібно при збільшенні концентрації електроліту;

o вихрова структура є квазістаціонарною в часі;

o прикладення зовнішнього електричного поля перпендикулярно до поверхні циліндру “руйнує” вихрову структуру.

Вперше експериментально виявлено і досліджено такі закономірності утворення самоорганізованої квазіперіодичної мікромасштабної структури форми та поверхні феромагнітних циліндрів або пластин з просторово періодичним розподілом створених ними магнітостатичних полів при їх корозії в розчині азотної кислоти в постійному однорідному магнітному полі та у перпендикулярних електричному та магнітному полях:

o квазіперіодична мікроструктура кородованого циліндра або пластини спостерігається тільки на феромагнітних зразках і характерний період квазіперіодичної структури дорівнює періоду розподілу магнітостатичних полів феромагнітного зразка в початковий момент корозії;

o характерний період квазіперіодичної мікроструктури не залежить від тривалості корозії в слабкому розчині азотної кислоти, збільшується при збільшенні діаметра циліндра, зменшується при зростанні напруженості прикладених магнітного та електричного полів, останнє не “руйнує” квазіперіодичну структуру;

o довжина виступу зменшується, а довжина впадини квазіперіодичної мікроструктури збільшується при збільшенні тривалості корозії, напруженості зовнішніх постійного електричного та магнітного полів;

o різниця між діаметрами циліндра на виступі та на впадині збільшуються для катодної корозії і зменшуються для анодної корозії при збільшенні тривалості корозії, напруженості прикладеного постійного електричного та магнітного полів.

Вперше виявлено, що утворення самоорганізованої квазіперіодичної мікромасштабної структури твердотільного феромагнетику з просторовим періодом, який дорівнює періоду розподілу магнітостатичних полів при його корозії в постійному магнітному полі, є наслідком просторово періодичного розподілу магнітостатичних полів феромагнетику.

Одержано нові аналітичні точні 3D розв'язки рівнянь Ландау-Ліфшиця в циліндричному феромагнетику, які описують нескінченну кількість різних станів намагніченості всередині феромагнетику при одних і тих самих граничних умовах. Ці розв'язки, зокрема, можуть знайти застосування для опису квазіперіодичного мікроструктурування феромагнітних циліндрів під впливом одночасної дії магнітного поля і електрохімічних перетворень.

Виявлені експериментально нові процеси самоорганізації в твердому тілі можливо застосовувати для практичного використання для виготовлення феромагнітних матриць градієнтних магнітних фільтрів, а також для інтенсифікації процесу біосорбції іонів важких металів.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Горобец О.Ю. Періодичний розподіл електричних потенціалів та струмів в металевому циліндрі в умовах впливу магнітного поля та електрохімічних перетворень // Металлофизика и новейшие технологии. 2007. Т.29, №5. С. 611-622.

2. Gorobets O.Yu. Degeneration of magnetic states of the order parameter relative to the boundary conditions and discrete energy spectrum in ferromagnetic and antiferromagnetic nanotubes // Chaos, Solitons and Fractals. 2006, http://dx.doi.org/10.1016/j.chaos.2006.06.106.

3. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu, Goyko I.Yu., Mazur S.P. Magnetohydrodynamic mixer of an electrolytes solution // Physica Status Solidi C. 2004.V.1, №12. P. 3455-3457.

4. Горобець О.Ю., Дереча Д.О. Квазипериодическое микроструктурирование поверхности железного цилиндра во время коррозии в скрещенных электрическом и магнитном полях // Металлофизика и новейшие технологии.2005.Т.27, №9. С. 1179-1186.

5. Gorobets O.Yu., Derecha D.O. Quasi-periodic microstructuring of iron cylinder surface under its corrosion in the combined electric and magnetic fields // Materials Science.2007.V.24, №4. P. 1017-1025.

6. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Goyko I.Yu., Mazur S.P. Stirring of electrolytes in the vicinity of metallic matrix in a permanent magnetic field // Materials science.2006.V.24, №4. P. 1133-1137.

7. Gorobets Yu.I., Gorobets O.Yu., Mazur S.P. Vortex structure of electrolyte in a steady magnetic field in the vicinity of a metallic cylinder // Magnetohydrodynamics.2004. V.40, №1. P. 17-23.

8. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Reshetnyak S.A. Electrolyte vortex flows induced by a steady-state magnetic field in the vicinity of a steel wire used as an accelerator of the chemical reaction rate // Magnetohydrodynamics. 2003. V. 39, №2. P. 211-214.

9. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Reshetnyak S.A. Permanent magnetic field as an accelerator of chemical reaction and an initiator of rotational motion of electrolyte flows near thin steel wire // J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 272-276 P3.P. 2408-2409.

10. Gorobets S.V., Donchenko M.I., Gorobets O.Yu., Goyko I.Yu. Effect of a magnetic field on the etching of steel in nitric acid solutions // Russian Journal of Physical Chemistry. 2006. V.80, №5. P. 791-794.

11. Bar'yakhtar V.G., Gorobets O.Yu., Gorobets Yu.I. Velocity distribution in electrolyte in the vicinity of a metal cylinder in a steady magnetic field // J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 272-276P3. P. 2410-2412.

12. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Bandurka N.P. Stationary flows of liquid in the vicinity of the small ferromagnetic particles in constant homogeneous magnetic field // The Physics of Metals and Metallography. 2001. V. 92, Suppl. 1. P. S197-198.

13. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu. Unidirectional mass transfer effect in electrolytes in the vicinity of a chain of iron balls in a PMF // Magnetohydrodynamics. 2002. V.38, №4. P. 421-423.

14. Gorobets O.Yu., Gorobets V.Yu., Bandurka N.P. Formation of directional fluid flows in a vicinity of a high-gradient ferromagnetic beads in a permanent magnetic field // Journal of Molecular Liquids. 2003. V.105/2, №3. P. 265-268.

15. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu. Stationary flows of liquid in the vicinity of the small ferromagnetic particles in permanent homogeneous magnetic field // Journal of Molecular Liquids. 2003. V. 105/2, №3. P. 269-271.

16. Gorobets Yu.I., Gorobets O.Yu., Mazur S.P., Brukva A.N. Quasiperiodic structure of the surface of a steel cylinder upon its corrosion in solutions of nitric acid in a dc magnetic field // The Physics of Metals and Metallography. 2005. V. 99, №2. P. 139-142.

17. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Brukva O.M. Periodic microstructuring of iron cylinder surface in nitric acid in a magnetic field // Applied Surface Science. 2005. V. 252/2. P. 448-454.

18. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Mazur S.P., Slusar A.A. Influence of a steady magnetic field to a steel surface in the presence of an electrolyte // Physica Status Solidi. C. 2004. V.1, №12. P. 3686-3688.

19. Горобець С.В., Горобець О.Ю., Дейна О.А., Гойко І.Ю. Самоорганізована квазіперіодична мікроструктура поверхні залізного циліндру при корозії в електролітах і магнітному полі // Металлофизика и новейшие технологии. 2006. Т. 28, №4. С. 473-479.

20. Pashitskii E.A., Mal'nev V.N., Naryshkin R.A., Anchishkin D.V., Bar'yakhtar V.G., Gorobets Yu.I., Gorobets O.Yu. Non-stationary hydrodynamic vortices in open systems // Ukrainian Journal of Physics/Reviews. 2005. V.2, №1. P. 35-72.

21. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Kasatkina Т.P., Ukrainetz А.I., Goyko I.Yu. Intensification of the process of sorption of copper ions by yeast of Saccharomyces cerevisiae 1968 by means of a permanent magnetic field // J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 272-276P3. P. 2413-2414.

22. Горобец С.В., Горобец О.Ю., Гойко И.Ю., Касаткина Т.П. Интенсификация очистки сточных вод от ионов шестивалентного хрома в магнитном поле // Экология и промышленность России. 2004. Т.11. С. 17-18.

23. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Goiko I.Yu., Kasatkina T.P. Intensification of Biosorption of Copper Ions from Solution by the Yeast Saccharomyces cerevisiae in Magnetic Field // Biophysics. 2006. V. 51, №3. P. 452-456.

24. Горобець C.В., Горобець О.Ю., Гойко І.Ю. Визначення швидкості корозії по швидкості потоків електролітів навкруги металевих елементів в магнітному полі // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. 2005, №2. С. 126-129.

25. Горобець С.В., Горобець О.Ю., Решетняк С.О. Рух потоків електроліту, індукований зовнішнім магнітним полем, поблизу поверхні тонкого залізного дроту // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. 2003. №2. C. 142-144.

26. Горобець С.В., Горобець О.Ю., Гойко І.Ю., Касаткіна Т.П. Спосіб перемішування водних розчинів.Патент на винахід № 54295 кл. В01F13/08, В03С1/30.№ 2002075832; заяв. 15.07. 2002; опубл. 2005, бюл. №1.

27. Горобець C.В., Горобець О.Ю., Гойко І.Ю., Решетняк С.О. Патент на винахід №.55792 Кл.В01F13/08.Змішувач / №2002065177; Заяв. 21.06.2002; опубл.16.05.05. Бюл. № 5.

28. Гулий І.С., Горобець C.В., Горобець О.Ю., Гойко І.Ю., Касаткина Т.П. Патент на винахід №58979.Кл.C02F1/28.Спосіб очищення стічних вод від іонів міді / № 2002129606; Заяв.02.12.2002; опубл.15.08.05. Бюл. №8.

29. Горобець С.В., Горобець О.Ю., Гойко І.Ю., Дейна О.А. Дек. Патент на винахід № 4972.Кл.C23F11/04.Спосіб проведення швидких корозійних випробувань заліза №20040604388;Заяв.07.06.2004; Опубл. 15.02.2005. Бюл. №2.

30. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Reshetnyak S.A. Permanent magnetic field as an accelerator of chemical reaction and an initiator of rotational motion of electrolyte flows near thin steel wire // International Conference on Magnetism: ICM2003. Rome, Italy, 27 July - 1 August 2003.

31. Baryakhtar V.G., Gorobets Yu.I., Gorobets O.Yu. Velocity distribution in electrolyte in the vicinity of a metal cylinder in a steady magnetic field // International Conference on Magnetism: ICM2003. Rome, Italy, 27 July - 1 August 2003. P. 751.

32. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Mazur S.P. The phenomenon of a steel cylinder surface microstructure under corrosion in nitric acid solution in a steady magnetic field // Physics of Liquid Matter. Modern Problems: 3^rd International Conference. Kyiv, Ukraine, 2005. Р. 113.

33. Gorobets O.Yu., Derecha D.O. Quasiperiodic microstucturization of metallic cylinder surface at it's corrosion in the electrolyte solution under combined electrical and magnetic fields // Intermolecular and Magnetic Interactions in Matter: 8th International IMIM Conference. Naікczуw, Poland, 2005.

Анотація

Горобець О.Ю. Просторова самоорганізація в твердому тілі в умовах впливу магнітного поля та електрохімічних перетворень.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, Харків.-2008.

В дисертації вирішено проблему комбінованого впливу магнітних полів та електрохімічних перетворень на структуру та фізичні властивості твердих тіл в умовах просторової самоорганізації. Розвинута теоретична модель встановлює взаємозалежність розподілу швидкостей електроліту з розподілом електричного потенціалу та густини струму в твердотільному провідному циліндрі в умовах одночасного впливу магнітного поля та електрохімічних перетворень. При цих умовах шляхом спостереження вихрової структури електроліту було вперше експериментально виявлено утворення самоорганізованих просторово квазіперіодичних розподілів електричного поля та густини струму в провідному твердому тілі і встановлено їх характеристики. Вперше експериментально виявлено і досліджено утворення самоорганізованої квазіперіодичної мікромасштабної структури феромагнітних зразків при їх корозії в розчині азотної кислоти в магнітному полі. Нові точні 3D розв'язки рівнянь Ландау-Ліфшиця описують нескінченну кількість різних станів намагніченості циліндричного феромагнетику при фіксованих граничних умовах. Виявлені нові процеси самоорганізації в твердому тілі можуть знайти практичне використання для виготовлення феромагнітних матриць градієнтних магнітних фільтрів, а також для інтенсифікації процесу біосорбції іонів важких металів.

Ключові слова: вплив магнітного поля, ефекти просторової самоорганізації, форма та структура поверхні твердого тіла, корозія, розподіл електричного потенціалу та густини струму.

Аннотация

Горобец О.Ю. Пространственная самоорганизация в твердом теле в условиях влияния магнитного поля и электрохимических превращений.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.-Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, Харьков.-2008.

В результате проведения научных исследований по теме диссертационной работы решена проблема комбинированного влияния внешних факторов, таких как магнитные поля и электрохимические превращения, на структуру, физические свойства твердых тел в условиях пространственной самоорганизации и выявления физических механизмов, которые определяют возникновение индуцированных совместным действием постоянного магнитного поля и электрохимических преобразований эффектов самоорганизации в твердом теле от мезо- до микромасштабов. В результате в условиях влияния постоянного магнитного поля и электрохимических превращений в проводящем твердом теле экспериментально найдены и теоретически описаны новые эффекты образования самоорганизующихся пространственно квазипериодических распределений электрического поля и плотности тока, а также эффекты пространственно квазипериодического структурирования формы твердого тела и его поверхности с иерархией масштабов от мезо- до микромасштабов. Развитая теоретическая модель пространственно периодического распределения электрического потенциала и плотности тока в пространственно однородном твердотельном проводящем цилиндре и в окружающем электролите в условиях одновременного влияния постоянного однородного магнитного поля и электрохимических превращений устанавливает взаимосвязь распределения скоростей электролита с распределением электрического потенциала и плотности тока в проводящем твердом теле и описывает следующие закономерности: распределение скоростей электролита; изменение направления вращения вихревой структуры на противоположное при изменении направления магнитного поля на противоположное; совпадение характерного масштаба пространственно периодического распределения электрического потенциала и плотности тока по межфазной поверхности проводник - электролит с характерным масштабом затухания скорости электролита с расстоянием до поверхности образца и с характерным масштабом затухания потенциала и плотности тока внутри металла, что позволяет использовать распределение скоростей электролита в магнитном поле для определения распределений электрических полей и токов в проводящем твердом теле. При этом путем наблюдения закономерностей образования квазипериодической мезомасштабной структуры (многовихревых потоков раствора азотной кислоты вокруг твердотельного проводящего цилиндра при его коррозии в постоянном магнитном поле) был впервые экспериментально обнаружен эффект образования под действием одновременного влияния магнитного поля и электрохимический превращений самоорганизующихся пространственно квазипериодических распределений электрического поля и соответственно плотности тока в проводящем твердом теле и выявлены их следующие характеристики: эффект наблюдается исключительно при условии одновременного влияния магнитного поля и электрохимических превращений, т.е. отсутствует в экспериментах с поверхностью проводящего образца, изолированной слоем диэлектрика; эффект наблюдается как для ферромагнитных, так и для немагнитных твердіх тел; характерный пространственный период квазипериодического распределения электрического поля и плотности тока в проводящем цилиндре на порядок больше, чем диаметр цилиндра, количество пространственных периодов увеличивается с увеличением длины цилиндра, а также увеличивается скачкообразно с увеличением концентрации электролита; вихревая структура является квазистационарной во времени; приложение внешнего электрического поля перпендикулярно к поверхности цилиндра “разрушает” вихревую структуру. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы следующие закономерности образования самоорганизующейся квазипериодической микромасштабной структуры формы и поверхности ферромагнитных цилиндров или пластин с пространственно периодической магнитной структурой при их коррозии в растворе азотной кислоты в постоянном однородном магнитном поле и во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях: квазипериодическая структура корродированного цилиндра или пластины наблюдается только на ферромагнитных образцах и характерный период квазипериодической структуры равен периоду неоднородного распределения магнитостатических полей ферромагнитного образца в начальный момент коррозии; характерный период квазипериодической структуры не зависит от длительности коррозии в слабом растворе азотной кислоты, увеличивается при увеличении диаметра цилиндра, уменьшается при увеличении напряженности приложенных магнитного и электрического полей, последнее не разрушает квазипериодическую структуру; длина выступа уменьшается, а длина впадины увеличивается при увеличении длительности коррозии, напряженностей приложенных электрического и магнитного полей; разница между диаметрами цилиндра на выступе и на впадине увеличивается для катодной коррозии и уменьшается для анодной коррозии при увеличении длительности коррозии, напряженности приложенных электрического и магнитного полей. Впервые обнаружено, что образование самоорганизующейся квазипериодической микромасштабной структуры твердотельного ферромагнетика с пространственным периодом, который равен периоду структуры магнитостатических полей при его коррозии в постоянном магнитном поле, является следствием пространственно периодического распределения магнитостатических полей ферромагнетика. Полученные новые аналитические точные 3D решения уравнений Ландау-Лифшица в цилиндрическом ферромагнетике, которые описывают бесконечное количество разных состояний намагниченности внутри ферромагнетика при фиксированных граничных условиях. Эти решения, в частности, могут найти применения для описания квазипериодического микроструктурирования ферромагнитных цилиндров под влиянием одновременного действия магнитного поля и электрохимических превращений. Обнаруженные экспериментально новые процессы самоорганизации в твердом теле можно применять для практического использования при изготовлении ферромагнитных матриц градиентных магнитных фильтров, а также для интенсификации процесса биосорбции ионов тяжелых металлов.

Ключевые слова: влияние магнитного поля, эффекты пространственной самоорганизации, форма и структура поверхности твердого тела, коррозия, распределение электрического потенциала и плотности тока.

Annotation

Gorobets O.Yu. Spatial self-organization in a solid state under the influence of a magnetic field and electrochemical reactions.-Manuscript.

Doctor of Science degree dissertation in the field of physics and mathematics. Specialty 01.04.07 - Solid State Physics.-Institute of Electrophysics & Radiation Technologies NAS of Ukraine, Kharkov.-2008.

The problem of joint influence of magnetic fields and electrochemical reactions on structure, physical properties of solid state is solved in the dissertation under spatially self-organization conditions. The developed theoretical model establishes the interrelation between velocity distribution of an electrolyte and distribution of electric potential and current density in solide conducting cylinder under simultaneous influence of magnetic field and electrochemical reactions. Arising and characteristics of self-organized spatially quasiperiodic distributions of electric field and current density have been revealed in conducting solide sample under such conditions by means of observation of the vortex structure in an electrolyte. For the fist time arising of the self-organized quasiperiodic microscale structure of ferromagnetic samples was revealed and investigated under their corrosion in a solution of nitric acid in a magnetic field. New exact 3D solutions of Landau-Lifshitz equations describe an infinite number of magnetization states of cylindrical ferromagnet for the same boundary conditions. The revealed new self-organization processes in the solid state can be used for production of ferromagnetic matrixes of high-gradient magnetic filters and for intensification of biosorption process of heavy metal ions.

Key words: magnetic field influence, effects of spatial self-organization, shape and structure of the surface of the solid state, corrosion, electric potential and current density distributions.

Размещено на Allbest.ru