МАГНИ́ТНЫЕ ЖИ́ДКОСТИ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 ТC магнетика, из которого приготовлен коллоид, его спонтанная намагниченность тоже проявляет заметную зависимость от темп-ры. Нагревая М. ж. выше ТC, можно существенно уменьшить её магнитную восприимчивость, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои М. ж. с Т < ТC обладают большей магнитной восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя слои с Т > ТC. 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.