Чому утворюються пагорби на феромагнітній рідині. Феромагнітна рідина

Магнітна рідина, а точніше, феромагнітна рідина – це рідина, що сильно поляризується у присутності магнітного поля. Назву свою вона отримала від латинського слова ferrum, тобто «залізо».

Магнітна рідина є не що інше, як високодисперсну суспензію. Іншими словами, це колоїдна система, яка складається з несучої рідини та феромагнітних нанорозмірних частинок, що знаходяться в ній у зваженому стані. Несучою рідиною можуть бути вода, органічний розчинник, вуглеводні, кремній або фторорганічні речовини.

Назва, однак, цих речовин не зовсім відповідає дійсності, оскільки самі по собі подібні рідини не виявляють феромагнітних властивостей. Після припинення на них магнітним полем вони зберігають залишкової намагніченості. Феромагнітні рідини насправді є лише парамагнетиками або, як їх ще називають, суперпарамагнетиками - вони просто дуже сприйнятливі до магнітного поля.

Історія феромагнітних рідин

Феромагнітні рідини та подібні до них речовини з'явилися досить давно. Практично одночасно вони були створені у 60-х роках минулого століття у США та СРСР. В ті роки їх широко застосовували у різних космічних програмах.
Іншим колам наукової громадськості ці субстанції доступні нещодавно. Сьогодні магнітні рідини вивчаються в багатьох країнах, які мають високий науковий потенціал: Японію, Францію, Німеччину і Велику Британію.

Застосування феромагнітних рідин

Основною і неповторною властивістю всіх феромагнітних рідин є поєднання в них високої плинності з винятковими магнітними властивостями. За цими двома показниками феромагнітні субстанції в десятки тисяч разів перевершують будь-яку з відомих рідин. Саме завдяки цим властивостям магнітні суспензії знайшли широке застосування в різних областях.

Наприклад, їх використовують в електронних пристроях, створюючи за їх допомогою прошарок, що надійно захищає деталі від проникнення сторонніх частинок. А у багатьох високочастотних динаміках феромагнітні рідини використовуються для відведення тепла від звукової котушки.

У машинобудуванні подібні суспензії застосовують зниження тертя між окремими деталями вузла.

Магнітні рідини використовують і в аналітичних приладах – завдяки їх заломлюючим властивостям вони знайшли свою нішу в оптиці.

Також ведуться експерименти щодо застосування феромагнітних рідин для видалення пухлин.

магнітна рідина скор.,МЖ інакшеферодичність(англ.) - стійка високодисперсних феро- або феримагнітних частинок у рідині-носії.

Опис

Магнітні рідини являють собою високодисперсних магнітних частинок розміром від 5 до 50 нм, що знаходяться, як правило, в станах, або фері (частки металів, оксидів заліза та ін.). МЖ мають унікальне поєднання плинності і здатності взаємодіяти з магнітним полем. Властивості магнітної рідини визначаються сукупністю характеристик компонентів, що входять до неї (твердої магнітної фази, дисперсійного середовища і стабілізатора), варіюючи які можна в досить широких межах змінювати параметри МЖ.

Розрізняють два види магнітних рідин - ПАР містять МЖ і іонні МЖ, в яких стабілізація магнітних відбувається за допомогою або за рахунок поверхневого заряду, відповідно.

Процес отримання магнітної рідини складається з двох основних стадій: отримання магнітних частинок потрібного розміру та стабілізації їх у рідкому середовищі (рідини-носія). Основна складність цього процесу полягає в тому, що обидві стадії повинні бути поєднані в часі, щоб запобігти частинкам.

Магнітні рідини на основі неполярних середовищ з розміром частинок 1 мкм називаються магнітореологічними рідинами. Їх особливістю є різке збільшення в'язкості під впливом магнітного поля, а сильних полях можуть повністю «твердіти». Дана властивість відносить їх з нелінійним відгуком на зовнішній вплив.

Магнітні рідини, завдяки незвичайному поєднанню властивостей магнетиків, рідин і колоїдних розчинів, є перспективними матеріалами і знаходять застосування в різних галузях техніки: при створенні магнітнорідинних ущільнень у хімічній промисловості, як магнітні мастила, процеси магнітного збагачення немагнітних матеріалів, в системах охолодження (наприклад , феррожідкістного охолодження звукових котушок динаміка), в біології та медицині.

Ілюстрації

Автор

• Гольдт Анастасія Євгенівна

Джерела

1. Макаров В.М., Калаєва С. З., Шипілін А.М. та ін. Переробка залізовмісних відходів з отриманням наночастинок для виготовлення магнітної рідини // Нанотехніка. 2004. Т. 4, №12. С. 66-69.
2. Scherer C. і Figueiredo Neto A. M. Ferrofluids: Properties and Applications // Brazilian J. Phys. 2005. V. 35. P. 718-727.

(ПАР), що утворює захисну оболонку навколо частинок і перешкоджає їх злипання через Ван-дер-Ваальсових або магнітних сил.

Незважаючи на назву, феромагнітні рідини не виявляють феромагнітних властивостей, оскільки не зберігають залишкової намагніченості після зникнення зовнішнього магнітного поля. Насправді [ ] феромагнітні рідини є парамагнетиками і їх часто називають «суперпарамагнетиками» через високу магнітну сприйнятливість. Справді, феромагнітні рідини в даний час створити складно. [ ]

Енциклопедичний YouTube

1 / 4

✪ Ферромагнітна рідина/Ferrofluid

✪ Як зробити ФЕРРОМАГНІТНУ РІДИНУ З БЕНГАЛЬСЬКИХ ВОГНІВ!Феромагнітна рідина!How make ferrofluid

✪ МАГНІТНА РІДИНА СВОЇМИ РУКАМИ MAGNETIC FLUID LIQUID METAL ferrofluid ІГОР БЕЛЕЦЬКИЙ

✪ Як зробити МАГНІТНУ РІДИНУ

Субтитри

Опис

Феромагнітні рідини складаються з частинок нанометрових розмірів (звичайний розмір 10 нм або менше) магнетиту, гематиту або іншого матеріалу, що містить залізо, зважених у несучій рідині. Вони досить малі, щоб тепловий рух розподілив їх рівномірно по несучій рідині, щоб вони давали внесок у реакцію рідини в цілому на магнітне поле. Аналогічним чином іони у водних розчинах парамагнітних солей (наприклад, водний розчин сульфату меді(II) або хлориду марганцю(II)) надають розчину парамагнітні властивості.

Феромагнітні рідини це колоїдні розчини - речовини, що мають властивості більш ніж одного стану матерії. У разі два стану це твердий метал і рідина , у якій міститься. Ця здатність змінювати стан під впливом магнітного поля дозволяє використовувати феромагнітні рідини як ущільнювачі, мастила, а також може відкрити інші застосування в майбутніх наноелектромеханічних системах.

Феромагнітні рідини стійкі: їх тверді частинки не злипаються і виділяються в окрему фазу навіть у дуже сильному магнітному полі. Тим не менш, ПАР у складі рідини мають властивість розпадатися з часом (приблизно кілька років), і врешті-решт частинки злипнуться, виділяться з рідини та перестануть впливати на реакцію рідини на магнітне поле. Також феромагнітні рідини втрачають свої магнітні властивості при своїй температурі Кюрі, яка для них залежить від конкретного матеріалу феромагнітних частинок, ПАР і несучої рідини.

Термін «магнітореологічна рідина» відноситься до рідин, які подібно до феромагнітних рідин тверднуть у присутності магнітного поля. Різниця між феромагнітною рідиною та магнітореологічною рідиною у розмірі частинок. Частинки у феромагнітній рідині це в основному частинки нанометрових розмірів, що знаходяться у зваженому стані через броунівський рух і не осідають в нормальних умовах. Частинки в магнітореологічній рідині в основному мікрометрового розміру (на 1-3 порядки більше); вони надто важкі, щоб броунівський рух підтримував їх у зваженому стані, і тому згодом осідають через природну різницю в щільності частинок та несучої рідини. Як наслідок, у цих двох типів рідин різні областізастосування.

Нестабільність у нормально спрямованому полі

Під впливом досить сильного вертикально спрямованого магнітного поля поверхня рідини з парамагнітними властивостями мимоволі формує регулярну структуру зі складок. Цей ефект відомий як « нестабільність у нормально спрямованому полі». Формування складок збільшує вільну енергію поверхні та гравітаційну енергію рідини, але зменшує енергію магнітного поля. Така конфігурація виникає тільки при перевищенні критичного значення магнітного поля, коли зменшення його енергії перевершує внесок від збільшення вільної поверхні і гравітаційної енергії рідини. У феромагнітних рідин дуже висока магнітна сприйнятливість і для критичного магнітного поля, щоб виникли складки на поверхні, може бути досить маленького стрижневого магніту.

Типові поверхнево-активні речовини для феромагнітних рідин

Щоб обволікати частинки у феромагнітній рідині використовуються, зокрема, такі ПАР:

• поліакрилат натрію

ПАР перешкоджають злипанню частинок, заважаючи їм утворити надто важкі кластери, які не зможуть утримуватись у зваженому стані за рахунок броунівського руху. В ідеальній феромагнітній рідині магнітні частинки не осідають навіть у дуже сильному магнітному або гравітаційному полі. Молекули ПАР мають полярну «головку» та неполярний «хвіст» (або навпаки); один з кінців адсорбується до частки, а інший прикріплюється до молекул рідини-носія, утворюючи відповідно звичайну або зворотну міцелу навколо частки. В результаті просторові ефекти перешкоджають злипання частинок. Поліакрилова, лимонна кислоти та їх солі формують на поверхні частинок подвійний електричний шар в результаті адсорбції поліаніонів, що призводить до виникнення кулонівських сил відштовхування між частинками, що підвищує стабільність рідини на водній основі.

Хоча ПАР корисні для того, щоб продовжити час осадження частинок у феромагнітній рідині, вони виявляються шкідливими для її магнітних властивостей (особливо, для магнітного насичення рідини). Додавання ПАР (або інших сторонніх речовин) зменшує щільність упаковки феромагнітних частинок в активованому стані рідини, тим самим зменшуючи її в'язкість у цьому стані, даючи більш «м'яку» активовану рідину. І хоча для деяких застосувань в'язкість феромагнітної рідини в активованому стані (так би мовити, її «твердість») не дуже важлива, для більшості комерційних та промислових форм застосування це найголовніша властивість рідини, тому необхідний певний компроміс між в'язкістю в активованому стані та швидкістю осадження частинок . Виняток становлять ПАР на основі поліелектролітів, що дозволяють отримати висококонцентровані рідини з малою в'язкістю.

Застосування

Електронні пристрої

Феромагнітна рідина використовується у деяких високочастотних динаміках для відведення тепла від звукової котушки. Одночасно вона працює механічним демпфером, пригнічуючи небажаний резонанс. Феромагнітна рідина утримується в зазорі навколо звукової котушки сильним магнітним полем, перебуваючи одночасно в контакті з обома магнітними поверхнями і котушкою.

Машинобудування

Феромагнітна рідина здатна знижувати тертя. Нанесена на поверхню досить сильного магніту, наприклад, неодимового, вона дозволяє магніту ковзати по гладкій поверхні з мінімальним опором.

Оборонна промисловість

Авіакосмічна промисловість

Медицина

Ведеться багато експериментів щодо використання феромагнітних рідин для видалення пухлин.

Теплопередача

Якщо впливати магнітним полем на феромагнітну рідину з різною сприйнятливістю (наприклад, через температурний градієнт) виникає неоднорідна об'ємна магнітна сила, що призводить до форми теплопередачі званої термомагнітна конвекція. Така форма теплопередачі може використовуватися там, де не годиться звичайна конвекція, наприклад, мікропристроях або в умовах зниженої гравітації.

Вже згадувалося використання феромагнітної рідини для відведення тепла динаміках. Рідина займає проміжок навколо звукової котушки, утримуючись магнітним полем. Оскільки феромагнітні рідини мають парамагнітні властивості, вони підкоряються закону Кюрі - Вейса, стаючи менш магнітними при підвищенні температури. Сильний магніт, розташований поруч із звуковою котушкою, що виділяє тепло, притягує холодну рідину сильніше, ніж гарячу, захоплюючи гарячу рідину від котушки до кулера. Це ефективний методохолодження, що не потребує додаткових витрат енергії.

Генератори

Заморожена або полімеризована феромагнітна рідина, що знаходиться в сукупності постійного (підмагнічує) і змінного магнітних полів, може бути джерелом пружних коливань із частотою змінного поля, що може бути використане для генерації ультразвуку.

Гірничорудна промисловість

Феромагнітна рідина може бути використана у складі магнітнорідинного сепаратора для очищення від

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………....3

ГЛАВА 1. ОПИС І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ФЕРРОМАГНІТНОЇ РІДИНИ (ФМЗ).

1.1.Сутність і зміст поняття «феромагнітна рідина»……………………………………………………………..4

1.2.Використання ПАР для створення феромагнітної рідини………………………………………..…………………….6

РОЗДІЛ 2. Структурна організація магнітних рідин та обумовлені нею електро- та магнітооптичні ефекти.

2.1.Види структурних утворень у магнітних рідинах………………………………………………………… ….8

2.2 .Магнітна рідина з мікрокрапельною структурою……..9

2.3. Квазитверді структурні утворення в магнітних рідинах………………………………………………………….....11

2.4.Структурна самоорганізація магнітних рідин в електричному полі…………………………………………………12

РОЗДІЛ 3. Застосування феромагнітної рідини (ФМЗ).

3.1.Сфери застосування феромагнітних рідин………….18

ВИСНОВОК……………………………………………………...21

ВСТУП

З інтенсивним розвитком науки в останні десятиліття і терміном «нано», що стрімко увірвався в наукову лексику, магнетизм нанорозмірних об'єктів виявився чи не «найгарячішою» поряд з фулеренами і вуглецевими нанотрубками темою не тільки в наукових журналах, а й на слуху. кожної людини.

Магнітні наноматеріали, до яких належать магнітні нанопорошки, молекулярні магніти, магнітні рідини, мають величезний потенціал і несуть у собі якщо не технологічну революцію, то безліч важливих фундаментальних відкриттів та перспективних технологічних застосувань.

У ряді магнітних наноматеріалів велике місце займають феромагнітні рідини.

Метою курсової роботиє вивчити властивості феромагнітних рідин шляхом вирішення наступних завдань:

1. Аналіз літератури на цю тему.

2. Вивчити поняття ФМЗ.

3.Розглянути структурну організацію магнітних рідин та обумовлених нею електро- та магнітооптичні ефекти.

4.Розглянути сфери застосування феромагнітних рідин.

Глава 1. Опис та фізичні властивості феромагнітної рідини.

1.1.Сутність та зміст поняття «феромагнітна рідина».

Магнітні рідини були майже одночасно синтезовані в США та Росії у середині 60-х років ХХ століття. Перші магнітні рідини були отримані американцем Соломоном Стівеном Пайпеллом, внаслідок механічного подрібнення частинок магнетиту в кульових млинах. Він запатентував свій винахід 1963-го і 1965 року.

Подрібнення проводили у присутності поверхнево-активної речовини протягом 1000 годин. Магнетитова пудра змішувалася з рідкою основою (гасом) та ПАР(олеїновою кислотою), вміст якого становив 10 – 20 % обсягу основи. Разове завантаження магнетиту в рідку фазу не перевищувало 0,2 кг/л. Таке співвідношення між магнетитом і поверхнево-

активною речовиною створювало сприятливі умови для отримання мономолекулярного захисного шару на кожній частинці, середній розмір якої в кінцевому продукті складав близько 10 нм. Р. Кайзер удосконалив описаний процес та отримав магнітні рідини на воді, органічних основах та ефірах.

У СРСР родоначальником магніторідинних технологій був Дмитро Васильович Орлов. У 1965 році з ініціативи професора Орлова та під його керівництвом розпочалися роботи зі створення магнітних рідин та

герметизуючих пристроїв з їхньої основі.

В даний час магнітні рідини активно вивчають у більшості розвинених країн світу.

Що таке феромагнітна рідина? Дамо визначення даному поняттю. Феромагнітна рідина (від латинського ferrum - залізо) - рідина, що сильно поляризується у присутності магнітного поля.

Феромагнітні рідини являють собою колоїдні системи, що складаються з феромагнітних або феримагнітних частинок нанометрових розмірів, що знаходяться у зваженому стані в несучій рідині, якою зазвичай виступає органічний розчинник або вода. Для забезпечення стійкості такої рідини феромагнітні частинки зв'язуються з поверхнево-активною речовиною (ПАР), що утворює захисну оболонку навколо частинок і перешкоджає їх злипання через Ван-дер-Ваальсових або магнітних сил.

Незважаючи на назву, феромагнітні рідини не виявляють феромагнітних властивостей, оскільки не зберігають залишкової намагніченості після зникнення зовнішнього магнітного поля. Насправді феромагнітні рідини є парамагнетиками та їх часто називають «суперпарамагнетиками» через високу магнітну сприйнятливість. Справді, феромагнітні рідини в даний час створити складно. Феромагнітні рідини складаються з частинок нанометрових розмірів (звичайний розмір 10 нм або менше) магнетиту, гематиту або іншого матеріалу, що містить залізо, завислих у несучій рідині. Вони досить малі, щоб тепловий рух розподілив їх рівномірно по несучій рідині, щоб вони давали внесок у реакцію рідини в цілому на магнітне поле

Феромагнітні рідини це колоїдні розчини - речовини, що мають властивості більш ніж одного стану матерії. В даному випадку два стани це твердий метал та рідина, в якій він міститься. Ця здатність змінювати стан під впливом магнітного поля дозволяє використовувати феромагнітні рідини як ущільнювачі, мастила, а також може відкрити інші застосування в майбутніх наноелектромеханічних системах.

Феромагнітні рідини стійкі: їх тверді частинки не злипаються і виділяються в окрему фазу навіть у дуже сильному магнітному полі. Тим не менш, ПАР у складі рідини мають властивість розпадатися з часом (приблизно кілька років) і врешті-решт частинки злипнуться, виділяться з рідини та перестануть впливати на реакцію рідини на магнітне поле. Також феромагнітні рідини втрачають свої магнітні властивості при своїй температурі Кюрі, яка для них залежить від конкретного матеріалу феромагнітних частинок, ПАР та несучої рідини.

1.2.Використання ПАР для створення феромагнітної рідини.

Щоб обволікати частинки у феромагнітній рідині використовуються, зокрема, такі ПАР:

олеїнова кислота;тетраметиловий гідроксид амонію;поліакрилова кислота;поліакрилат натрію;лимонна кислота;соєвий лецитин

ПАР перешкоджають злипанню частинок, заважаючи їм утворити надто важкі кластери, які не зможуть утримуватись у зваженому стані за рахунок броунівського руху. В ідеальній феромагнітній рідині магнітні частинки не осідають навіть у дуже сильному магнітному або гравітаційному полі. Молекули ПАР мають полярну «головку» і неполярний «хвіст» один з кінців адсорбується до частки, а інший прикріплюється до молекул рідини-носія, утворюючи звичайну або зворотну міцелу навколо частки. В результаті просторові ефекти перешкоджають злипання частинок. Поліакрилова, лимонна кислоти та їх солі формують на поверхні частинок подвійний електричний шар в результаті адсорбції поліаніонів, що призводить до виникнення кулонівських сил відштовхування між частинками, що підвищує стабільність рідини на водній основі.

Хоча ПАР корисні для того, щоб продовжити час осадження частинок у феромагнітній рідині, вони виявляються шкідливими для її магнітних властивостей. Додавання ПАР (або інших сторонніх речовин) зменшує щільність упаковки феромагнітних частинок в активованому стані рідини, тим самим зменшуючи її в'язкість у цьому стані, даючи більш «м'яку» активовану рідину. І хоча для деяких застосувань в'язкість феромагнітної рідини в активованому стані не дуже важлива, для більшості комерційних та промислових форм застосування це найголовніша властивість рідини, тому необхідний певний компроміс між в'язкістю в активованому стані та швидкістю осадження частинок. Виняток становлять ПАР на основі поліелектролітів, що дозволяють отримати висококонцентровані рідини з малою в'язкістю.

РОЗДІЛ 2. Структурна організація магнітних рідин та обумовлені нею електрооптичні та магнітооптичні ефекти.

2.1.Види структурних утворень у магнітних рідинах.

Наявність навколо дисперсних частинок захисних оболонок, що перешкоджають незворотній коагуляції, не виключає можливості об'єднання частинок в агрегати, коли відстань між ними відповідає другому мінімуму енергії взаємодії при збереженні відштовхування бар'єру, а також у разі малої глибини першого мінімуму.

Де Жен і Пінкус розглянули колоїд, що складається з ідентичних феромагнітних частинок, зважених пасивної по відношенню до магнітного поля рідини. Для характеристики дипольної взаємодії, що призводить до агрегування, використаний параметр, який називається константою спарювання.

Теоретичні розробки умови появи агрегатів у магнітних колоїдах також проводилися у низці інших робіт. Розвиток експериментальних робіт у галузі фізики магнітних колоїдів призвело до появи уявлення про агрегування у феромагнітних рідинах як виникнення гетерофазних включень. У виникнення агрегатів, інтерпретований як фазовий перехід у магнітних колоїдах, розглянуто на основі загальних уявленьгетерогенних систем. З умови рівноваги вільних частинок з агрегатами отримано аналог рівняння Клапейрона-Клаузиса – залежність напруженості магнітного поля, за якої починається фазовий перехід, від температури при постійних тиску та концентрації:

де

Термодинамічна модель магнітної рідини, що показує, що при певних значеннях концентрації, температури і напруженості магнітного поля з'являється можливість розшарування феромагнітних рідин на висококонцентровані і слабоконцентровані фази.

При цьому агрегати можуть бути розділені на два типи мікрокрапельні, що мають пружну оболонку, і квазітверді, іноді пластів'єподібні, рідше - що нагадують кристалічні утворення.

2.2. Магнітна рідина з мікрокрапельною структурою

Найбільш поширеними у рідинах на основі гасу є мікрокрапельні агрегати. Утворення мікрокрапельної структури є унікальним процесом, характерним лише для дисперсних систем із магнітодипольними частинками. Спроба теоретичного обгрунтування фізичного механізму цього процесу неодноразово робилася у низці робіт, серед яких слід зазначити А.О. Цеберса, де основою покладено явище витіснювальної флокуляції. Витіснювальна флокуляція може мати місце, якщо дисперсні частинки знаходяться в розчині досить великих молекул. У цьому випадку, при зближенні дисперсних частинок до відстаней, менших за діаметр розчинених клубків, який грає роль своєрідної мембрани, і осмотичний тиск розчину створює силу, що призводить до тяжіння частинок. При цьому, за наявності міжчастинних магнітних взаємодій значення критичної концентрації розчинених клубків, відповідне початку агрегування зменшується. Справді, виникнення мікрокпельних агрегатів спостерігається в магнітних рідинах при розведенні їх чистим ПАР або його розчином в дисперсійному середовищі. Разом з тим є встановленим фактом і можливість виникнення мікрокрапельної структури при розведенні феромагнітних рідин чистим розчинником. Очевидно, причиною цього є процеси міцелоутворення ПАР в результаті додавання гасу в магнітну рідину. Саме із виникненням мікрокрапельної структури при зміні концентрації магнітної рідини на основі гасу шляхом її послідовного розведення пов'язані особливості концентраційної залежності її магнітної сприйнятливості. У цьому випадку виникнення мікрокрапель було розглянуто в рамках фазового переходу, оскільки є виникнення нової, більш концентрованої фази з наявністю міжфазної поверхні. Слід зазначити, що концентрація частинок в мікрокраплях може бути значно вище, ніж в середовищі, що їх омиває, а магнітна проникність мікрокрапель досягає декількох десятків одиниць.

Для дослідження особливостей фізичних властивостеймагнітних рідин, обумовлених наявністю мікрокраплинних агрегатів, була розроблена методика отримання в МЖ на основі гасу добре розвиненої мікрокрапельної структури. Це досягалося шляхом змішування МР з мінеральною олієюпри різному співвідношенні їх обсягів. Суміш підігрівалася до температури 315 - 320 К і перемішувалась протягом 15-20 хвилин за допомогою електромеханічної мішалки. В результаті цього була отримана рідина, що містить безліч дрібних (2-7 мкм) краплинних агрегатів, що мають більш високий вміст магнетиту, ніж середовище, що омиває. Така магнітна рідина може бути ідентифікована як магнітна емульсія, унікальність якої полягає в тому, що і емульговані краплі і середовище, що їх омиває, однакові за природою і відрізняються лише щільністю. З іншого боку, досить високий об'ємний вміст мікрокрапельних агрегатів в отриманому таким способом середовищі призводить до особливостей оптичних та магнітних властивостей, зумовлених поведінкою мікрокрапель магнітних та електричних полях. Подібні ефекти тією чи іншою мірою можуть спостерігатися і в магнітних рідинах, в яких можливе мимовільне виникнення мікрокрапель під впливом різних факторів.

2.3. Квазитверді структурні утворення у магнітних рідинах.

1а) до включення поля, 1б) за Н = 40 кА/м, 1в) через 20 хвилин після вимкнення поля.

Зміна температури призводить до зміни форми та конфігурації окремих агрегатів та структури в цілому. Реакція на зовнішнє магнітне поле проявляється у вигляді переважної орієнтації структурних утворень у напрямку поля (рис. 16). При цьому зміна напрямку поля на зворотне не призводить до переорієнтації агрегатів, що вказує на відсутність у агрегатів власного магнітного моменту, зумовленого впорядкуванням магнітних моментів дисперсних частинок. Слід зазначити, що квазитверді структурні утворення іноді можуть реалізовуватися також і відносно стабільних рідинах на основі гасу, проте в цьому випадку, вони можуть мати принципово інший характер, ніж утворення в МЖ підвищеної в'язкості.

2.4. Структурна самоорганізація магнітних рідин у електричному полі.

У магнітній рідині з мікрокрапельною структурою в електричне поле, крім сил поляризаційного походження, істотну роль відіграють кулонівські сили, зумовлені накопиченням заряду на міжфазних межах. Внаслідок цього, у подібних системах можливий розвиток специфічних електрогідродинамічних нестійкостей, що лімітуються процесами релаксації заряду, а також формою крапель. Електрогідродинамічні процеси призводять до зміни структури магнітної рідини, що у свою чергу впливає на магнітні та оптичні властивості такої магнітної рідини. Так, наприклад, завдяки цим процесам магнітної рідини спостерігається дифракційне розсіювання світла, що має ряд особливостей.

Дослідження характеру електрогідродинамічних нестійкостей і розсіювання світла проводилося в тонких шарах (20 -40 мкм) магнітних рідин, укладених між прозорим склом з струмопровідним покриттям. Спостереження мікроструктури здійснювалося з допомогою оптичного мікроскопа. При дослідженні дифракційного світлорозсіювання застосовувався гелій-неоновий лазер, промінь якого пропускали перпендикулярно площині комірки. Характер розсіювання світла спостерігали на екрані, а відносну величину інтенсивності розсіяного світла реєстрували фотоелементом і цифровим приладом. Крім описаної, використовувався також вимірювальний осередок, що дозволяє створювати електричне поле, перпендикулярне світловому променю, пристрій якої аналогічно вимірювальному осередку (рис.2).

Рис.2 Схема осередку для дослідження деформації мікрокрапельних агрегатів в електричному полі; 1 – предметне скло, 2 – металеві пластини, 3 – магнітна рідина з агрегатами, 4 – покривне скло.

У досить слабких змінних електричних полях низької частоти (30 – 200 Гц) магнітна рідина з мікрокрапельною структурою стає анізотропною. Результати оптичних спостережень показують, що в полях досить низької частоти, коли електропровідність крапель нижче, ніж навколишнього середовища краплі сплющуються вздовж напрямку електричного поля. Внаслідок виникнення анізотропії структури в магнітній рідині спостерігається анізотропне світлорозсіювання. Світла пляма ("гало"), що спостерігається за відсутності поля, трансформується в широку розмиту смугу, спрямовану паралельно малим осям сплющених крапель. На рис. 3 показана залежність відносної величини інтенсивності світлої смуги, що спостерігається від напруженості електричного поля.

Рисунок 3. Залежність відносної величини анізотропного світлорозсіювання від напруженості змінної електричної напруги за частоти 50Гц (10 - початковий фон).

З наведеного графіка видно, що спочатку при підвищенні електричного поля відбувається збільшення інтенсивності анізотропного розсіювання світла, що відповідає збільшенню деформації краплинних агрегатів. Однак, починаючи з деякого критичного значення напруженості, в системі розвиваються електрогідродинамічні течії, достатні для руйнування краплинних агрегатів і створеної слабкими полями анізотропії структури. У цьому випадку спостерігається зменшення відносної величини анізотропного світлорозсіювання. Таким чином, при виникненні електрогідродинамічної нестійкості відбувається зменшення структурної, а отже, і магнітної анізотропії магнітних рідин з мікрокрапельною структурою. Виникнення нестійкості, пов'язане з процесами релаксації заряду в слабко провідному середовищі. При аналізі подібних явищ було показано, що в досить слабких полях, коли характерний час повороту частинки у в'язкому середовищі велике в порівнянні з часом релаксації заряду, її положення в електричному полі стійке. В іншому випадку вільні заряди, що визначають орієнтацію частинок з найменшим коефіцієнтом деполяризації вздовж поля, не встигають перерозподілитись по її поверхні, та розвивається нестійкість. При цьому нестійкість має коливальний характер і настає при

де k0 і k∞ - статична та високочастотна поляризованість (індекси та ║ і

Відповідно до проведених розрахунків, співвідношення (4) у разі непровідних сферичних частинок, зважених у середовищі з в'язкістю η=0,1 Па с та характерним часом релаксації заряду τ = 10 с, що відповідає питомому опору близько 0,1 Ом м, для напруженості поля дає величину 400 кв./м. У полях такого ж порядку спостерігається розвиток електрогідродинамічної нестійкості. Вивчення характеру нестійкості здійснювалося за допомогою спостережень у мікроскоп, які виявили на поверхні шару рідини рухому стільникову структуру, характерну для нестійкості Бенарда.

Підвищення частоти електричного поля, спрямованого перпендикулярно площині тонкого шару магнітної рідини з мікрокрапельною структурою, призводить спочатку до припинення вихрових течій при f=3 кГц і появі структурної сітки гіллястого, потім лабіринтного типу. При досить високій частоті (f> 10 кГц) така структура розпадається на окремі циліндричні агрегати, осі яких перпендикулярні до площин електродів. Інтерес представляють спостереження трансформації структури за подальшого зниження частоти. У цьому випадку з циліндричних утворень знову розвивається лабіринтна структура, що розпадається при продовженні зниження частоти на більш тонкі, на тлі яких утворюються великі гантелеподібні агрегати. При досягненні частоти електричного поля 3 кГц відбувається швидкий вибухоподібний розпад агрегатів, після чого у всьому обсязі шару магнітної рідини розвивається вихрова електрогідродинамічна нестійкість. Описані структурні зміни проілюстровані на рис. 4.

Рисунок 4. Динаміка структурних перетворень у магнітній рідині з мікрокрапельною структурою в електричному полі; 4а) f=20 кГц, 4б) f=10 кГц, 4в)f=9 кГц, 4г) f=6 кГц, 4д) f=l кГц.

Характер структурних перетворень при зміні частоти електричного поля підтверджує їх зв'язок із процесами релаксації заряду, орієнтації та форми мікрокрапель. При досить великій частоті форма крапель визначається лише поляризаційними ефектами внаслідок відсутності руху вільних зарядів, і в цьому випадку в тонких шарах магнітної рідини розвивається гексагональна структура, теоретична інтерпретація утворення якої може бути побудована за аналогією з інтерпретацією утворення такої структури постійного магнітного поля. Структурні перетворення в тонких шарах подібних магнітних рідин в електричному полі визначають характер дифракційного світлорозсіювання, що спостерігається при цьому. Вивчення цього явища проведено за допомогою установки, схема якої наведена на рис.2, при цьому використовувалася осередок, що представляє собою два плоскі стекла з струмопровідним покриттям

РОЗДІЛ 3. Застосування феромагнітної рідини (ФМЗ).

3.1.Сфери застосування феромагнітних рідин.

Феромагнітні рідини використовуються для створення рідких ущільнювальних пристроїв навколо осей, що обертаються, в жорстких дисках. Ось, що обертається, оточена магнітом, в зазор між магнітом і віссю вміщено невелику кількість феромагнітної рідини, яка утримується притягненням магніту. Рідина утворює бар'єр, що перешкоджає попаданню частинок ззовні всередину жорсткого диска. Згідно з твердженнями інженерів Ferrotec Corporation, рідкі ущільнювачі на осях, що обертаються, в нормі витримують тиск від 3 до 4 фунтів на квадратний дюйм (приблизно від 20680 до 27580 Па), але такі ущільнювачі не дуже годяться для вузлів з поступальним рухом (наприклад, поршнів) оскільки рідина механічно витягується із зазору.

Феромагнітна рідина також використовується в багатьох динаміках для високих частот, для відведення тепла від звукової котушки. Одночасно вона працює механічним демпфером, пригнічуючи небажаний резонанс. Феромагнітна рідина утримується в зазорі навколо голосової котушки сильним магнітним полем, перебуваючи одночасно в контакті з обома магнітними поверхнями і котушкою.

Феромагнітна рідина здатна знижувати тертя. Нанесена на поверхню досить сильного магніту, наприклад, неодимового, вона дозволяє магніту ковзати по гладкій поверхні з мінімальним опором.

Ferrari використовує магнітореологічні рідини у деяких моделях машин для покращення можливостей підвіски. Під впливом електромагніта, контрольованого комп'ютером, підвіска може миттєво стати жорсткішою або м'якшою.

Військово-повітряні сили США впровадили фарбу радіопоглинання на основі феромагнітної рідини. Знижуючи відображення електромагнітних хвиль, вона допомагає зменшити ефективну площу розсіювання літака.

NASA проводило експерименти щодо використання феромагнітної рідини у замкнутому кільці як основу для системи стабілізації космічного корабля у просторі. Магнітне поле впливає на феромагнітну рідину в кільці, змінюючи момент імпульсу та впливаючи на обертання корабля.

Феромагнітні рідини мають безліч застосувань в оптиці завдяки їх заломлюючим властивостям. Серед цих застосувань вимірювання питомої в'язкості рідини, поміщеної між поляризатором та аналізатором, що висвітлюється гелій-неоновим лазером.

У медицині біологічно сумісні феромагнітні рідини можна використовувати для діагностики раку. Також ведеться багато експериментів щодо використання феромагнітних рідин для видалення пухлин. Передбачається, що феромагнітна рідина вводиться в пухлину і піддається впливу магнітного поля, що швидко змінюється, і тепло, що виділяється від тертя, може зруйнувати пухлину.

Якщо впливати магнітним полем на феромагнітну рідину з різною сприйнятливістю (наприклад, через температурний градієнт) виникає неоднорідна об'ємна магнітна сила, що призводить до форми теплопередачі званої термомагнітна конвекція. Така форма теплопередачі може використовуватися там, де не годиться звичайна конвекція, наприклад, мікропристроях або в умовах зниженої гравітації.

Вже згадувалося використання феромагнітної рідини для відведення тепла динаміках. Рідина займає проміжок навколо голосової котушки, утримуючись магнітним полем. Оскільки феромагнітні рідини мають парамагнітні властивості, вони підпорядковуються закону Кюрі - Вейса, стаючи менш магнітними при підвищенні температури. Сильний магніт, розташований поруч із голосовою котушкою, що виділяє тепло, притягує холодну рідину сильніше, ніж гарячу, захоплюючи гарячу рідину від котушки до кулера. Це ефективний метод охолодження, який вимагає додаткових витрат енергії.

Заморожена або полімеризована феромагнітна рідина, що знаходиться в сукупності постійного (підмагнічує) і змінного магнітних полів, може бути джерелом пружних коливань із частотою змінного поля, що може бути використане для генерації ультразвуку.

ВИСНОВОК

Проблеми отримання магнітних рідин та застосування їх у різних областях сучасної наукита техніки, біології та медицини є, безумовно, актуальними. Попит науково-технічних працівників до магнітних рідин постійно зростає, ними активно цікавляться фізики та механіки, але, на превеликий жаль, ці тенденції мають місце в основному за кордоном. Тим часом проблеми отримання та випробування цих систем на предмет агрегативної та седиментаційної стійкості в різних умовах із заданими технічними параметрами є дуже нагальними. Досі не вибудовано загальну теорію поведінки магнітних колоїдних систем на межі розділу «поверхня частинки – дисперсійне середовище» та «поверхня частинки – стороння поверхня» (яви коагуляції та дезагрегації, змочування та адсорбції) у різних умовах, зважаючи на те, що у вітчизняній літературі практично відсутні експериментальні дані щодо поверхневих явищ у цих дисперсних системах. Застосування магнітних рідин цільового призначення у промисловості та медико-біологічних дослідженнях передбачає вивчення особливостей їх взаємодії як з поверхнею виконавчих механізмів технічних пристроїв, так і з поверхнею клітин та тканин живих організмів. Дослідження процесів коагуляції частинок феромагнітних рідин у різних умовах могло б допомогти у створенні стійких магнітних колоїдів цільового призначення. Вони представили б великий інтерес для фахівців у фізиці, хімії, техніці, біології та медицині.

ЛІТЕРАТУРА

1. Заріпов А.К. Структурна релаксація та в'язкопружні властивості магнітних рідин – дисертація.

2.Смерек Ю.Л. Особливості електропровідності магнітної рідини у магнітному полі.

3. 1.А.с. 966735 СРСР Магніточутлива емульсія. / Чеканов В.В., Дроздова В.І. / / Відкриття. Винахід. Пром. Образи. Товарні знаки. - 1982. - №38.

4. Антропов Л.І. Теоретична електрохімія. М: вища школа, 1984, - 519с.

5. Бар'яхтар Ф.Г., Хіженков П.К., Дорман В.Л. Динаміка доменної структури магнітних рідин.// Фізичні властивості магнітних рідин. Свердловськ, 1983. С.50-57.

6.Беджанян М.А. Ефекти взаємодії крапель магнітної рідини з магнітними та електричними полями: Дис.канд. фіз.- мат. наук.- Ставрополь. СГУ.-2002р.

7.Берковський Б.М., Краків М.С., Медведєв В.Ф. Магнітні рідини – новий технологічний матеріал. М.: ІВТАН СРСР, 1984.-36с.

8. Берковський Б.М., Медведєв В.Ф., Краків М.С. Магнітні рідини. -М: Хімія, 1989.-239с.

9. Бібік Є.Є. Приготування феррожідкості.// Колоїдний журнал.-1973. -Т.3 - № 6.С.1141-1142.

10. Блум Е.Я., Майоров М.М., Цеберс А.Про магнітні рідини. Рига: Зінатне, 1989.-386с.

11. Бондаренко Є.А. Механізми формування багатошарової структури магнітної рідини в приелектродній ділянці: Дис. Канд. Фіз.-мат. наук. Ставропіль. -СГУ. -2001р.

12.Падалка В.В. Орієнтаційні та кінетичні процеси в колоїдних розчинах магнітних частинок в електричному та магнітному полях. Дис. канд. фіз.-мат. наук. Ставрополь, 1988.-150с.

Пройшло 52 роки з того часу, як співробітник NASA Стів Папелл винайшов феромагнітну рідину. Він вирішував цілком певне завдання: як за умов невагомості змусити рідину в паливному баку ракети підходити до отвору, з якого насос перекачував паливо в камеру згоряння. Тоді Папел і придумав нетривіальне рішення — додавати в паливо якусь магнітну субстанцію, щоб за допомогою зовнішнього магніту керувати переміщенням палива в баку. Так на світ з'явилася феромагнітна рідина.

Як магнітна речовина Папел використовував магнетит (Fe 3 O 4), який за спеціальною технологією подрібнював (перетирав у суміші з олеїновою кислотою) протягом багатьох днів. Виходила стійка колоїдна суспензія, у якій стабільно існували крихітні частинки магнетиту розміром 0,1-0,2 мікрона. Олеїнова кислота у цій системі грала роль модифікатора поверхні, який давав часткам магнетиту злипатися. Патент С.Папелла US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by colloidal suspension of magnetic particles) відкритий, і його можна подивитися в Інтернеті. Класичний складферомагнітної рідини - 5% (за обсягом) магнітних частинок, 10% модифікатора поверхні (олеїнова, лимонна або поліакрилова кислоти та ін). Решта - органічний розчинник, включаючи рідкі олії.

Інтерес до магнітних рідин пожвавився останніми роками, і сьогодні вони вже знайшли безліч застосувань. Якщо нанести таку рідину на неодимовий магніт, то магніт ковзатиме по поверхні з мінімальним опором, тобто тертя різко зменшиться. На основі феромагнітної рідини у США роблять радіопоглинаючі покриття на літаки. А творці знаменитого Ferrari використовують магнітореологічну рідину в підвісці автомобіля: маніпулюючи магнітом, водій може зробити підвіску будь-якої миті жорсткішою або м'якшою. І це лише кілька прикладів.

Магнітна рідина – дивовижний матеріал. Варто помістити її в магнітне поле, як розрізнені магнітні частинки об'єднуються і вишиковуються вздовж силових ліній поля, перетворюючись на цілком тверду речовину. Сьогодні фокуси з магнітною рідиною, яка при зіткненні з магнітом перетворюється на бездоганні з погляду симетрії їжачків або кактуси, показують на багатьох розважальних шоу. Звичайно, феромагнітну рідину можна купити, але набагато цікавіше зробити самому.

Ми писали про те, як отримати самозатвердювальну магнітну рідину, яка дозволить розглянути структури, утворені магнітними частинками, під мікроскопом («Хімія і життя», 2015, №11). А ось ще один рецепт саморобної феромагнітної рідини. Візьміть 50 мл тонера лазерного принтера. Цей порошок не менш ніж на 40% складається з магнетиту, розмір частинок якого становить 10 нанометрів і менше. У тонері також обов'язково є модифікатор поверхні, щоб наночастинки не злипалися. До 50 мл тонера додайте 30 мл рослинного масла(Дві столові ложки) і ретельно перемішайте, не шкодуючи на цей процес часу. Вийде чорна однорідна рідина, схожа на сметану. А тепер налийте її в плоску скляну ємність з бортиками, щоб товщина шару була не меншою за сантиметр. Піднесіть магніт під денце ємності, і в цьому місці в рідині відразу виникне жорсткий їжачок. За допомогою магніта його можна переміщувати. Якщо ви піднесете магніт до поверхні рідини або збоку, то рідина буквально вискочить назустріч магніту, так що будьте обережні. Щоб уникнути цієї неприємності, можна помістити магнітну рідину в невелику скляну конічну колбу, заповнивши її наполовину або трохи менше. Нахиліть колбу, щоб утворився шар рідини вздовж її стінки, і піднесіть магніт до скла.

Успіх залежить від сили магніту (неодимовий магніт невеликого розміру можна купити в магазинах) та якості тонера. У разі треба бути впевненим, що він містить магнітний порошок.