Магнитные жидкости
Магни́тные жи́дкости, коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц в обычных жидкостях. Магнитные жидкости обладают уникальным для жидкости сочетанием свойств – высокой текучестью, способностью намагничиваться до насыщения и эффективным взаимодействием с магнитным полем. Вещества с такими свойствами отсутствуют в природе. Магнитные жидкости впервые синтезированы в середине 60-х гг. 20 в., их создание – получение наночастиц твёрдого магнитного материала, диспергирование его в жидкости-носителе и придание дисперсной системе агрегативной устойчивости – является одним из достижений нанотехнологий. Намагниченность концентрированных магнитных жидкостей достигает примерно 100 кА/м в магнитных полях напряжённостью кА/м; при этом их вязкость близка к вязкости жидкости-носителя и почти не зависит от величины .
В качестве дисперсной среды обычно используют магнетит , железо, кобальт, ферриты-шпинели. Наиболее распространены магнитные жидкости на основе магнетита, диспергированного в углеводородных, кремнийорганических жидкостях и воде. Для предотвращения слипания (агрегации) под влиянием магнитного взаимодействия частицы покрываются одним или двумя мономолекулярными слоями поверхностно-активного вещества (олеиновая кислота, олеат натрия). В неполярных жидкостях (масло, керосин, додекан, октан и т. д.) на магнитные наночастицы наносится один слой молекул олеиновой кислоты (рис. 1, а). Устойчивость диспергированных частиц в полярной жидкости, например в воде, достигается нанесением двух слоёв поверхностно-активного вещества: первый слой состоит из молекул олеиновой кислоты, второй – из молекул олеата натрия (рис. 1, б). Однако из-за увеличения толщины стабилизирующей оболочки намагниченность насыщения у них значительно уменьшается.
Физические свойства магнитных жидкостей
При среднем диаметре частиц магнетита 10 нм их магнитный момент приблизительно равен А·м2, т. е. составляет порядка атомных магнитных моментов. Совершая беспорядочное тепловое вращение, частицы поворачиваются на большой угол за время броуновского вращения порядка 1 мкс при вязкости жидкости-носителя Па·с. Столь малые частицы удерживаются тепловым броуновским движением в объёме жидкости в течение длительного времени, достаточного для решения многих практических задач. Высокую устойчивость магнитные жидкости проявляют и в магнитных полях с сильной неоднородностью. Динамика намагничивания магнитной жидкости определяется двумя механизмами ориентации магнитных моментов ферромагнитных частиц вдоль магнитного поля, каждый из которых характеризуется своим временем релаксации. Один механизм связан с броуновским вращательным движением в жидкой матрице (броуновская релаксация), другой – обусловлен тепловыми флуктуациями момента внутри самой частицы (неелевская релаксация). Кривая зависимости статического намагничивания магнитных жидкостей имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков. В научной литературе за магнитными жидкостями закрепилось название суперпарамагнетиков.
Численное значение начальной магнитной восприимчивости концентрированной магнитной жидкости (объёмная концентрация магнетита ) при комнатной температуре достигает 10, что в тысячи раз превышает восприимчивость обычных жидкостей. С повышением температуры величина уменьшается. При приближении температуры к точке Кюри магнетика, из которого приготовлен коллоид, его спонтанная намагниченность тоже проявляет заметную температурную зависимость. Нагревая магнитную жидкость выше , можно существенно уменьшить её магнитную восприимчивость, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои магнитной жидкости с обладают повышенной магнитной восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя слои с . Термомагнитная конвекция по интенсивности может во много раз превосходить гравитационную конвекцию.
В электрических или магнитных полях магнитные жидкости проявляют анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптических свойств: двойное лучепреломление, анизотропию рассеяния, дихроизм. Эти эффекты в основном связаны с ориентацией вдоль внешнего магнитного или электрического поля агрегатов коллоидных частиц. Величины электро- и магнитооптических эффектов в магнитных жидкостях примерно на 6 порядков превосходят аналогичные величины в обычных жидкостях. При определённом соотношении напряжённостей электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно друг другу, наблюдается эффект компенсации оптической анизотропии, который используется для визуализации электростатических полей.
Магнитные жидкости – практически непрозрачные жидкости. Опыты на просвечивание возможны либо в случае малой толщины слоя (порядка 10 мкм), либо в случае малой концентрации () при толщине слоя порядка 1 мм.
В магнитных жидкостях достаточно хорошо распространяются звуковые волны. Присутствие твёрдых наночастиц обусловливает изменение плотности и сжимаемости дисперсной системы, а также появление специфического для микронеоднородной среды процесса внутреннего теплообмена. Для магнитных жидкостей на основе органических и кремнийорганических жидкостей преобладающее влияние на изменение скорости оказывает фактор плотности; с увеличением плотности магнитной жидкости примерно в 2 раза скорость звука уменьшается на 15–20 % по сравнению со скоростью в жидкости-носителе. Наложение магнитного поля на агрегативно устойчивые магнитные жидкости приводит к незначительным изменениям скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука; так, приращение скорости не превышает 1–2 м/с.
Применение магнитных жидкостей
При распространении в намагниченной магнитной жидкости звуковой волны происходит модуляция магнитной индукции, которую можно зафиксировать катушкой индуктивности – акустомагнитный эффект. В этом эффекте проявляется ещё одно отличие магнитных жидкостей от твёрдых ферромагнетиков – относительно высокая сжимаемость среды. На основе акустомагнитного эффекта разработаны приёмники звуковых колебаний, позволившие создать эффективный метод исследования спектров колебаний системы «оболочка – жидкость», а также осуществлять акустогранулометрию частиц дисперсной фазы, т. е. измерение их размеров.
В неоднородном магнитном поле, изменяющемся во времени по периодическому закону, магнитная жидкость генерирует звуковые волны. Упругая деформация осуществляется в результате действия пондеромоторной силы, пропорциональной произведению намагниченности магнитной жидкости на градиент магнитного поля и направленной вдоль этого градиента. Действие пондеромоторной силы используется во многих устройствах.
1. Магнитожидкостные герметизаторы, которые предназначены для обеспечения герметизации валов, совершающих вращательное движение в средах с перепадом давлений или в средах с различными веществами. Впервые они были применены в космических технологиях, а в настоящее время широко используются в различных сферах машиностроения. Конструкция простейшего магнитожидкостного герметизатора схематически показана на рис. 2. К кольцевому магниту 1 присоединены полюсные наконечники 2, охватывающие вал из магнитного материала 3. В зазоры между полюсными наконечниками и валом вводится капля магнитной жидкости, которая, находясь в сильном неоднородном магнитном поле, удерживает перепад давлений газа по обе стороны вала при его свободном вращении.
2. Акустические динамики с магнитной жидкостью (рис. 3). Межполюсной зазор 1, в котором кольцевым магнитом 2 создаётся сильное магнитное поле, заполняется магнитной жидкостью 3. В результате этого основной функциональный элемент динамика – катушка индуктивности 4, связанная с диффузором 5, фактически «плавает» в жидкости. В данном случае магнитная жидкость выполняет роль теплоотводящего элемента и акустической контактной смазки, что позволяет значительно расширить динамический диапазон акустического динамика и его амплитудно-частотную характеристику. Удерживаясь неоднородным магнитным полем, капля магнитной жидкости существенно повышает качество воспроизведения звука.
3. Сепарация немагнитных материалов. Следствием действия пондеромоторной силы является эффект магнитной левитации. На немагнитные тела, помещённые в магнитную жидкость, находящуюся в неоднородном магнитное поле с градиентом напряжённости, направленным вдоль силы тяжести, действует дополнительная выталкивающая сила, которая может значительно превосходить вес жидкости в объёме тела. На этом эффекте основан принцип действия сепараторов цветных металлов и других немагнитных материалов. Данный метод экономически наиболее предпочтителен при сепарации немагнитных частиц цветных (дорогостоящих) металлов и минералов.
4. Датчики уровня и угла наклона. Применение магнитных жидкостей в качестве активных элементов в датчиках уровня и угла наклона позволяет, во-первых, использовать простой и надёжный способ электромагнитной индикации, а во-вторых, значительно повысить точность измерений.
5. Магнитно-жидкостная смазка. При помощи магнитного поля можно удерживать магнитную жидкость, выполняющую роль смазки, в зоне контакта трущихся поверхностей. В этом случае резко сокращается расход смазки и число остановок механизма.
6. Охлаждение трансформаторов. По отводу теплоты термомагнитная конвекция значительно превышает естественную конвекцию, поэтому применение магнитных жидкостей в качестве теплоотводящего элемента эффективно в устройствах, технологически наделённых сильными магнитными полями. В частности, замена в мощных трансформаторах обычного трансформаторного масла на магнитную жидкость, приготовленную на основе того же масла, существенно увеличивает допустимую мощность.
7. Очистка производственных сточных вод от нефтепродуктов – важная экологическая проблема. Магнитная жидкость на керосине растворяется в нефтепродуктах, превращая их в магнитную жидкость с малой концентрацией. Получаемые растворы собираются магнитной «ловушкой», после чего при помощи сильно неоднородного магнитного поля осуществляется отделение нефтепродуктов от магнитной жидкости.
Кроме того, магнитные жидкости используют в механотронике в качестве магнитоуправляемой среды, что обусловлено формированием магнитогидродинамических потоков магнитной жидкости с помощью изменяющегося магнитного поля. Примером может служить привод для расположения изготавливаемых деталей на 3D-принтере, принцип действия которого основан на магнитной левитации немагнитного тела, погружённого в магнитную жидкость. Другой пример – захват и транспорт воздушной полости в магнитной жидкости. Для проведения визуальной демонстрации используется слой магнитной жидкости толщиной 2 мм, заполняющей прозрачный пенал, и боковая подсветка. Результаты показаны на рис. 4. Под воздействием перемещающегося неоднородного магнитного поля на верхней торцевой поверхности слоя магнитной жидкости образуется воздушная лунка с перешейком (рис. 4, а). Затем происходит сужение перешейка (рис. 4, б), после чего отделяется воздушная полость (рис. 4, в). Вопреки закону Архимеда воздушная полость удерживается на каком-либо уровне или упирается в преграду и дробится на мелкие пузырьки. По частоте модуляции магнитного поля колеблющимся пузырьком можно с большой точностью определить его размер, что существенно при конструировании прецизионных счётчиков и дозаторов газа, используемых в химико-технологическом производстве и фармацевтике.