Магнитные жидкости

При среднем диаметре частиц магнетита 10 нм их магнитный момент приблизительно равен ${\displaystyle 2,5\cdot 10^{-19}}$ А·м² , т. е. составляет порядка ${\displaystyle 10^{4}}$ атомных магнитных моментов. Совершая беспорядочное тепловое вращение, частицы поворачиваются на большой угол за время броуновского вращения порядка 1 мкс при вязкости жидкости-носителя ${\displaystyle 10^{-2}}$ 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 ${\displaystyle M(H)}$ 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 ${\displaystyle \chi }$ концентрированной магнитной жидкости (объёмная концентрация магнетита ${\displaystyle \sim 0,2}$) при комнатной температуре достигает 10, что в тысячи раз превышает восприимчивость обычных жидкостей. С повышением температуры ${\displaystyle T}$ величина ${\displaystyle \chi }$ уменьшается. При приближении температуры к точке Кюри ${\displaystyle T_{\text{C}}}$ магнетика, из которого приготовлен коллоид, его спонтанная намагниченность тоже проявляет заметную температурную зависимость. Нагревая магнитную жидкость выше ${\displaystyle T_{\text{C}}}$, можно существенно уменьшить её магнитную восприимчивость, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои магнитной жидкости с ${\displaystyle T<T_{\text{C}}}$ обладают повышенной магнитной восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя слои с ${\displaystyle T>T_{\text{C}}}$. 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 (${\displaystyle \leq 10^{-2}}$) 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.

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.