МАГНИ́ТНЫЕ ЖИ́ДКОСТИ

МАГНИ́ТНЫЕ ЖИ́ДКОСТИ, кол­ло­ид­ные рас­тво­ры разл. фер­ро- или фер­ри­маг­нит­ных од­но­до­мен­ных час­тиц в обыч­ных жид­ко­стях. М. ж. об­ла­да­ют уни­каль­ным для жид­ко­сти со­че­та­ни­ем свойств – вы­со­кой те­ку­че­стью, спо­соб­но­стью на­маг­ни­чи­вать­ся до на­сы­ще­ния, эф­фек­тив­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем с маг­нит­ным по­лем. Ве­ще­ст­ва с та­ки­ми свой­ст­ва­ми от­сут­ст­ву­ют в при­ро­де. М. ж. впер­вые син­те­зи­ро­ва­ны в сер. 1960-х гг., их соз­да­ние – по­лу­че­ние на­но­ча­стиц твёр­до­го маг­нит­но­го ма­те­риа­ла, дис­пер­ги­ро­ва­ние его в жид­ко­сти-но­си­те­ле и при­да­ние дис­перс­ной сис­те­ме аг­ре­га­тив­ной ус­той­чи­во­сти – яв­ля­ет­ся од­ним из дос­ти­же­ний на­но­тех­но­ло­гий. На­маг­ни­чен­ность M кон­цен­три­ро­ван­ных М. ж. дос­ти­га­ет ≈ 100 кА/м в маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью H ≈ 80 кА/м; при этом их вяз­кость близ­ка к вяз­ко­сти жид­ко­сти-но­си­те­ля и поч­ти не за­ви­сит от H.

В ка­че­ст­ве дис­перс­ной сре­ды обыч­но ис­поль­зу­ют маг­не­тит Fe₃O₄, же­ле­зо, ко­бальт, фер­ри­ты-шпи­не­ли. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны М. ж. на ос­но­ве маг­не­ти­та, дис­пер­ги­ро­ван­но­го в уг­ле­во­до­род­ных, крем­ний­ор­га­нич. 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). При сред­нем диа­мет­ре час­тиц маг­не­ти­та ≈ 10 нм их маг­нит­ный мо­мент ≈ 2,5·10^–19 А·м², т. е. со­став­ля­ет по­ряд­ка 10⁴ атом­ных маг­нит­ных мо­мен­тов. Со­вер­шая бес­по­ря­доч­ное те­п­ло­вое вра­ще­ние, час­ти­цы по­во­ра­чи­ва­ют­ся на боль­шой угол за вре­мя бро­унов­ско­го вра­ще­ния по­ряд­ка 1 мкс при вяз­ко­сти жид­ко­сти-но­си­те­ля 10^–2 Па·с. Столь ма­лые час­ти­цы удер­жи­ва­ют­ся те­п­ло­вым бро­унов­ским дви­же­ни­ем в объ­ё­ме жид­ко­сти прак­ти­че­ски сколь угод­но дол­го. Вы­со­кую ус­той­чи­вость М. ж. про­яв­ля­ют и в маг­нит­ных по­лях с силь­ной не­од­но­род­но­стью. Ди­на­ми­ка на­маг­ни­чи­ва­ния М. ж. оп­ре­де­ля­ет­ся дву­мя ме­ха­низ­ма­ми ори­ен­та­ции маг­нит­ных мо­мен­тов фер­ро­час­тиц вдоль маг­нит­но­го по­ля, ка­ж­дый из ко­то­рых ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сво­им вре­ме­нем ре­лак­са­ции. Один ме­ха­низм свя­зан с бро­унов­ским вра­ща­тель­ным дви­же­ни­ем в жид­кой мат­ри­це, дру­гой – обу­слов­лен те­п­ло­вы­ми флук­туа­ция­ми мо­мен­та внут­ри са­мой час­ти­цы (не­елев­ский ме­ха­низм). Кри­вая за­ви­си­мо­сти ста­ти­че­ско­го на­маг­ни­чи­ва­ния М(Н) М. ж. име­ет сход­ст­во с функ­ци­ей Лан­же­ве­на, ха­рак­те­ри­зую­щей про­цесс на­маг­ни­чи­ва­ния па­ра­маг­не­ти­ков. В на­уч. лит-ре за М. ж. за­кре­пи­лось назв. су­пер­па­ра­маг­не­ти­ков (см. Су­пер­па­ра­маг­не­тизм).

Чис­лен­ное зна­че­ние на­чаль­ной маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти χ кон­цен­три­ро­ван­ной М. ж. (объ­ём­ная кон­цен­тра­ция маг­не­ти­та ок. 20%) при ком­нат­ной темп-ре дос­ти­га­ет 10, что в ты­ся­чи раз пре­вы­ша­ет вос­при­им­чи­вость обыч­ных жид­костей. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры Т зна­че­ние χ умень­ша­ет­ся. При при­бли­же­нии Т к точ­ке Кю­ри Т_C маг­не­ти­ка, из ко­торо­го при­го­тов­лен кол­ло­ид, его спон­тан­ная на­маг­ни­чен­ность то­же про­яв­ля­ет за­мет­ную за­ви­си­мость от темп-ры. На­гре­вая М. ж. вы­ше Т_C, мож­но су­ще­ст­вен­но умень­шить её маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость, что ле­жит в ос­но­ве яв­ле­ния тер­мо­маг­нит­ной кон­век­ции. Слои М. ж. с Т < Т_C об­ла­да­ют боль­шей маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­стью и втя­ги­ва­ют­ся в об­лас­ти с боль­шей на­пря­жён­но­стью маг­нит­но­го по­ля, вы­тес­няя слои с Т > Т_C. Тер­мо­маг­нит­ная кон­век­ция по ин­тен­сив­но­сти мо­жет во мно­го раз пре­вос­хо­дить гра­ви­тац. кон­век­цию.

В элек­трич. или маг­нит­ных по­лях М. ж. про­яв­ля­ют ани­зо­тро­пию те­п­ло- и элек­тро­про­вод­но­сти, вяз­ко­сти, а так­же ани­зо­тро­пию оп­тич. свойств: дву­лу­че­пре­лом­ле­ние, ани­зо­тро­пию рас­сея­ния, ди­хро­изм. Эти эф­фек­ты в осн. свя­за­ны с ори­ен­та­ци­ей вдоль внеш­не­го маг­нит­но­го или элек­трич. по­ля аг­ре­га­тов кол­ло­ид­ных час­тиц. Ве­ли­чи­ны элек­тро- и маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­тов в М. ж. при­мер­но на 6 по­ряд­ков пре­вос­хо­дят ана­ло­гич­ные ве­ли­чи­ны в обыч­ных жид­ко­стях. При оп­ре­де­лён­ном со­от­но­ше­нии на­пря­жён­но­стей элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей, на­прав­лен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но друг дру­гу, на­блю­да­ет­ся эф­фект ком­пен­са­ции оп­тич. ани­зо­тро­пии, ко­то­рый ис­поль­зу­ет­ся для ви­зуа­ли­за­ции элек­тро­ста­тич. по­лей.

М. ж. – прак­ти­че­ски не­про­зрач­ные жид­ко­сти. Опы­ты на про­све­чи­ва­ние воз­мож­ны ли­бо в слу­чае ма­лой тол­щи­ны слоя (по­ряд­ка 10 мкм), ли­бо в слу­чае ма­лой кон­цен­тра­ции (⩽1%) при тол­щи­не слоя по­ряд­ка 1 мм. В М. ж. дос­та­точ­но хо­ро­шо рас­про­стра­ня­ют­ся ульт­ра­зву­ко­вые вол­ны. При­сут­ст­вие твёр­дых на­но­ча­стиц обу­слов­ли­ва­ет из­ме­не­ние плот­но­сти и сжи­мае­мо­сти дис­перс­ной сис­те­мы, а так­же по­яв­ле­ние спе­ци­фи­че­ско­го для мик­ро­не­од­но­род­ной сре­ды про­цес­са внутр. те­п­ло­об­ме­на. Для М. ж. на ос­но­ве ор­га­нич. и крем­ний­ор­га­нич. жид­ко­стей пре­об­ла­даю­щее влия­ние на из­ме­не­ние ско­ро­сти зву­ка ока­зы­ва­ет фак­тор плот­но­сти: с уве­ли­че­ни­ем плот­но­сти М. ж. при­мер­но в 2 раза ско­рость зву­ка умень­ша­ет­ся при­мер­но на 15–20% по срав­не­нию со ско­ро­стью в жид­ко­сти-но­си­те­ле. На­ло­же­ние маг­нит­но­го по­ля на аг­ре­га­тив­но ус­той­чи­вые М. ж. при­во­дит к не­зна­чит. из­ме­не­ни­ям ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния и ко­эф. по­гло­ще­ния ульт­ра­зву­ка; так, при­ра­ще­ние ско­ро­сти не пре­вы­ша­ет 1–2 м/с.

При рас­про­стра­не­нии в на­маг­ни­чен­ной М. ж. зву­ко­вой вол­ны про­ис­хо­дит воз­му­ще­ние маг­нит­ной ин­дук­ции, ко­то­рое мож­но за­фик­си­ро­вать ка­туш­кой ин­дук­тив­но­сти. В не­од­но­род­ном маг­нит­ном по­ле, из­ме­няю­щем­ся во вре­ме­ни по пе­риодич. за­ко­ну, М. ж. ге­не­ри­ру­ет зву­ко­вые вол­ны. Уп­ру­гая де­фор­ма­ция осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ре­зуль­та­те дей­ст­вия на М. ж. пон­де­ро­мо­тор­ной си­лы, про­пор­цио­наль­ной про­из­ве­де­нию её на­маг­ни­чен­но­сти на гра­ди­ент маг­нит­но­го по­ля и на­прав­лен­ной вдоль это­го гра­ди­ен­та.

Дей­ст­вие пон­де­ро­мо­тор­ной си­лы ис­поль­зу­ет­ся во мно­гих уст­рой­ст­вах: в маг­ни­то­жид­ко­ст­ных гер­ме­ти­за­то­рах, удер­жи­ваю­щих пе­ре­пад дав­ле­ний в неск. ат­мо­сфер; в ус­та­нов­ках по очи­ст­ке вод­ных по­верх­но­стей от неф­те­про­дук­тов; в маг­нит­ных го­лов­ках гром­ко­го­во­ри­те­лей с маг­ни­то­жид­ко­ст­ным на­пол­не­ни­ем, улуч­шаю­щим их ам­пли­туд­но-час­тот­ную ха­рак­те­ри­сти­ку, и др. След­ст­ви­ем дей­ст­вия этой си­лы яв­ля­ет­ся эф­фект ле­ви­та­ции, ко­то­рый за­клю­ча­ет­ся в том, что на не­маг­нит­ные те­ла, по­ме­щён­ные в М. ж., на­хо­дя­щую­ся в маг­нит­ном по­ле с гра­ди­ен­том вдоль на­прав­ле­ния си­лы тя­же­сти, дей­ст­ву­ет до­пол­нит. вы­тал­ки­ваю­щая си­ла, мно­го­крат­но пре­вы­шаю­щая вес вы­тес­нен­ной жид­ко­сти. На этом яв­ле­нии ос­но­ван прин­цип дей­ст­вия се­па­ра­то­ров цвет­ных ме­тал­лов и др. не­маг­нит­ных ма­те­риа­лов.