Феромагнітна рідина
Ферромагнітна рідина(ФМЖ,магнітна рідина,феррожидкість,ферофлюїд) (від латинськогоferrum- Залізо) - Рідина, сильно поляризується в 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 злипанню 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 [джерело не вказано 1771 день] феромагнітні рідини є парамагнетиками та їх часто називають «суперпарамагнетиками» через високу магнітну сприйнятливість. Справді, феромагнітні рідини в даний час створити складно. [1] [немає у джерелі]
Зміст
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 загалом на магнітне поле. Аналогічно іони у водних розчинах парамагнітних солей (наприклад, водний розчин сульфату міді(II) або хлориду марганцю(II)) надають розчину парамагнітних властивостей.
Феромагнітнірідини 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. [2] 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.
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 перебувають у зваженому стані через броунівський рух і не осідають у 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 сфери застосування.
Нестійкість у нормальноспрямованому полі
Під впливом досить сильного вертикально спрямованого магнітного поля поверхня рідини з парамагнітними властивостями мимоволі формує регулярну структуру складок. Цей ефект відомий як «нестійкість 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:
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 злипанню частинок. Поліакрилова, лимонна кислоти та їх солі формують на поверхні частинок подвійний електричний шар внаслідок адсорбції поліаніонів, що призводить до виникнення кулонівськихсил відштовхування між частинками, що підвищує стабільність рідини на водній основі
Хоча ПАР корисні у тому, щоб продовжити час осадження частинок у феромагнітної рідини, вони виявляються шкідливі 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.
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.
Ferrari використовує магнітореологічні рідини у деяких моделях машин для покращення можливостей підвіски. Під впливом електромагніту,контрольованого комп'ютером, підвіска може миттєво стати жорсткішою або м'якшою. Крім Ferrari, подібні розробки вже давно знайшли застосування в автомобілях Audi, Cadillac, BMW та інших. [3]
Оборонна промисловість
Військово-повітряні сили США запровадили радіопоглинаюче покриття на основі феромагнітної рідини. Знижуючи відображення електромагнітних хвиль, воно допомагає зменшити ефективну площу розсіювання літака.
Авіакосмічна промисловість
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.
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, вонипідкоряються 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 метод охолодження, який вимагає додаткових витрат енергії. [4]
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. [5]
Гірничорудна промисловість
Феромагнітна рідина може бути використана у складі магнітно-рідинного сепаратора для очищення від шліху дрібного золота.
">