Ферромагнитная жидкость рядом с мощным магнитом. Магнитная жидкость

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости . Действительно ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно.

Описание

Фотография ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля (крупный план).

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита , гематита или другого материала, содержащего железо , взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В даном случае два состояния это твердый металл и жидкость , в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей , смазки , а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и в конце концов частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри , которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости.

Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые подобно феромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Разница между ферромагнитной жидкостью и магнитореологической жидкостью в размере частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1-3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естесственной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.

Нестабильность в нормально направленном поле

Ферромагнитная жидкость проявляет нестабильность в нормально направленном поле неодимового магнита под поверхностью

Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле ». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость , и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.

Типичные поверхностно-активные вещества для ферромагнитных жидкостей

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ :

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слшиком тяжелые кластеры , которые не смогут удерживаться во взвешеном состянии за счет броуновского двжения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для ее магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированом состоянии жидкости, тем самым уменьшая ее вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированом состоянии (так сказать, ее «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определеный компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц.

Применение

Ферромагнитная жидкость под воздействием сильного вертикального магнитного поля.

Электронные устройства

Ферромагнитные жидкости испольуются для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках . Вращающаяся ось окружена магнитом, в зазор между магнитом и осью помещено небольшое количество ферромагнитной жидкости, которая удерживается притяжением магнита. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска. Согласно утверждениям инженеров Ferrotec Corporation , жидкие уплотнители на вращающихся осях в норме выдерживают давление в от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм (примерно от 20680 до 27580 Па), но такие уплотнители не очень годятся для узлов с поступательным движением (например, поршней), так как жидкость механически вытягивается из зазора.

Ферромагнитная жидкость также испольуются во многих динамиках для высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером , подавляя нежелательный резонанс . Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг голосовой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

Машиностроение

Ферромагнитная жидкость способна снижать трение . Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового, она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Авиакосмическая промышленность

Медицина

Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг голосовой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри - Вейса , становясь, менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом с голосовой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру . Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии.

Генераторы

Замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано для генерации

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Цель: приготовить ферромагнитную жидкость и изучить её свойства.

Задачи:

Узнать о ферромагнитной жидкости (вид неньютоновской жидкости ).

Приготовить ферромагнитную жидкость.

Провести эксперименты для изучения её свойств.

Узнать её применение.

Сделать выводы.

Представить результаты.

Гипотеза: в домашних условиях можно приготовить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства.

Область применения результатов: участие в научно-исследовательских конкурсах

Актуальность: Магнетизм - это физическое явление, при котором материалы оказывают притягивающую или отталкивающую силу на другие материалы на расстоянии. Планета Земля имеет два магнитных полюса и собственное магнитное поле. Магниты - важная часть нашей повседневной жизни. Магниты являются существенными компонентами таких устройств, как электрические двигатели, динамики, компьютеры, проигрыватели компакт-дисков, микроволновые печи и, конечно, автомобили. Магниты используются в датчиках, приборах, производственном оборудовании, научных исследованиях. Ферромагнитная жидкость - один из видов неньютоновской жидкости. Это искусственно созданная жидкость. Эта жидкость меняет свойства при определенных условиях которыми может управлять человек.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть

Магнитные жидкости - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами.

В 1963 году сотрудник NASA Стив Папелл изобрел ферромагнитную жидкость. Он решал вполне определенную задачу: как в условиях невесомости заставить жидкость в топливном баке ракеты подходить к отверстию, из которого насос перекачивал топливо в камеру сгорания. Тогда-то Папелл и придумал нетривиальное решение — добавлять в топливо какую-нибудь магнитную субстанцию, чтобы с помощью внешнего магнита управлять перемещением топлива в баке. Так на свет появилась ферромагнитная жидкость.

Минимальный состав ферромагнитой жидкости: ферромагнетик (например, мелкие частицы магнитного металла) и растворитель (например, различные масла). Но такая жидкость будет оседать. Чтобы этого не происходило, необходимо добавить модификатор поверхности (вещество, которое не даёт ферромагнетику слипаться, например лимонная кислота). Ферромагнитные жидкости изучает раздел науки коллоидная химия.

Магнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала - малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.

2.2 Практическая часть:

В практической части работы я пробовал сделать ферромагнитную жидкость и посмотреть как она изменяется в присутствии магнита.

2.2.1 Материалы и инструменты:

Тонер-порошок, девелопер, железная стружка, магнитный порошок;

Машинное масло, подсолнечное масло;

Лимонная кислота;

Неодимовые магниты: из обычного жесткого диска для компьютера, из звукового динамика, приобретенный в специализированном магазине неодимовое магнит-кольцо;

Флакон, воронка, разные поверхности, полиэтиленовый пакет, перчатки, палочка;

Блокнот для записей, ручка, фотоаппарат, ноутбук.

2. 2.2 Опыт № 1 Получение ферромагнитной жидкости из тонер-порошка и машинного масла

В глобальной сети Интернет есть множество сайтов, на которых описан способ получения ферромагнитной жидкости из тонер-порошка и машинного масла в пропорции одна третья тонер порошка, остальное машинное масло. Я взял тонер-порошок для лазерных принтеров brother и машинное масло. Смешал в пластиковой бутылке. После смешивания, я поднес магнит и ничего не произошло. Жидкость получилась, но она не обладала магнитными свойствами. Если бы жидкость обладала магнитными свойствами, она бы затвердела и изменила свою форму при движении магнита. Опыт завершился неудачей.

2.2.3 Опыт № 2 Получение ферромагнитной жидкости из тонер-порошка, девелопера и машинного масла

Из первого опыта я сделал вывод о том, что используемый тонер не является ферромагнетиком. В современных лазерных принтерах для намагничивания краски используется девелопер - специальный магнитный порошок. В получившуюся в первом опыте жидкость я добавил треть объема девелопера. Когда я поднес магнит, жидкость образовала почти незаметный холмик и не затвердела. Получилась жидкость со слабыми ферромагнитными свойствами. Опыт завершился неудачей.

2.2.4 Опыт № 3 Получение ферромагнитной жидкости из железной стружки и машинного масла

После первых двух неудавшихся опытов, я задумался о силе магнита. С помощью которого проверяю наличие магнитных свойств. Для проверки жидкости я использовал два магнита: магнит от звукового динамика и неодимовый магнит из уже не работающего жестко диска для компьютера (HDD). Для того чтобы убедится, что ферромагнитная жидкость не получается из за свойств ферромагнетика в жидкости, а не магнита я добавил в получившийся раствор обычные железные опилки (отходы от работы на слесарном станке ). Магнит притянул к стенке все железные элементы жидкости! Магнитные свойства появились, но все то что я смешал уже сложно назвать жидкостью. Опыт снова завершился неудачей.

2.2.5 Опыт № 4 Получение ферромагнитной жидкости из магнитного порошка и подсолнечного масла

Итак, для получения ферромагнитной жидкости нужен хороший ферромагнетик! В специализированном магазине Мир магнитов я приобрел специальный железный магнитный порошок для опытов.

2.2.6 Опыт № 5 Получение ферромагнитной жидкости из магнитного порошка, лимонной кислоты и подсолнечного масла.

Для того чтобы ферромагнитная жидкость не расслаивалась в нее добавляют ПАВ (поверхностно активное вещество). В качестве ПАВ я выбрал лимонную кислоту.

2.2.7 Опыт № 6 Изучение свойств феррмагнитной жидкости. Магнитоуправляемость.

Для изучения свойств полученной жидкости я использовал неодимовый магнит.

Магниты и инструментарий	Когда я поднес магнит к стенке пузырька с ферромагнитной жидкость часть жидкости примагнитилас к стенке, затвердела и изменила свою форму (см. фото)

Когда я положил магнит на дно и перевернул пузырек, все его содержимое стало твердым и не стекало сверху вниз.	Когда я убрал магнит, твердая вещество стало превращаться в жидкость и стекло сверху вниз
С помощью пипетки я перелил часть ферромагнитной жидкости на пластиковый диск	Обратите внимание - это жидкость!!!
Вот что произошло с жидкостью на которую воздействует магнит. Форма похожа на иголки ежика.	При перемещении магнита часть твердой жидкости переместилась вместе с ним, оставшаяся стала принимать жидкую форму.
Моя младшая сестра захотела сделать ферромагнитного котика у которого может пониматься шерсть дыбом.	На фанерке, оклеенной фольгой, с помощью пластилина я сделал очертания кота и заполнил его с помощью пипетки моей ферромагнитной жидкостью
Вот что получилось при поднесении магнита снизу	…хвост дыбом…
Мой ферромагнитный ежик	Исследуем…..

2.2.8 Опыт № 7 Изучение свойств феррмагнитной жидкости. Способность проникать в микрообъемы (закупорка отверстия )

В последнем эксперименте я пытался понять, как можно с помощью внешнего магнита закрывать отверстия от течи. Для этого я сначала налил мою жидкость в пластмассовую колбу с большим отверстием внизу. Потом поднес магнит к стенке рядом с отверстием и поднял колбу. Затвердевшая под действием магнита жидкость препятствовала вытеканию остальной жидкой части. Как только я убрал магнит, все вытекло из колбы.

2.3 Практическое применение

Применение ферромагнитных жидкостей:

На основе ферромагнитной жидкости делают радиопоглощающие покрытия на самолеты.
Создатели знаменитого Ferrari используют магнитореологическую жидкость в подвеске автомобиля: манипулируя магнитом, водитель может сделать подвеску в любой момент более жесткой или более мягкой.
Ферромагнитная жидкость используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим глушителем, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой
Ферромагнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером.
В качестве рабочего тела в датчиках угла наклона и акселерометрах.
В магнитных сепараторах для разделения и сепарации материалов с различной плотностью. Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды. Например, для разделения золота и шлиха.
Для очистки водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах и катастрофах.
Печатающие и чертежные устройства. Есть печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. В краску вносится немного магнитной жидкости, и такая краска выбрызгивается тонкой струйкой на протягиваемую перед ней бумагу. Если струю ничем не отклонять, то будет начерчена линия. Но на пути струйки поставлены электромагниты, подобно отклоняющим электромагнитам кинескопа телевизора. Роль потока электронов здесь играет тонкая струйка краски с магнитной жидкостью - ее-то и отклоняют электромагниты, и на бумаге остаются буквы, графики, рисунки.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы

В домашних условиях можно приготовить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства.
Успех опытов зависит от силы магнита и качества ферромагнетика. В случае применения тонер-порошка или девелопера для принтера надо быть уверенным, что он содержит магнитный порошок.
С помощью магнита можно увидеть некоторые свойства ферромагнитной жидкости и понять как работают разные механизмы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Как сделать ферромагнитную жидкость дома? Викторова Л.
(«НиЖ», 2015, №12) https://www.hij.ru/read/issues/2015/december/5750/
МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ, И. Сенатская, кандидат химических наук Ф. Байбуртский https://www.nkj.ru/archive/articles/4971/ (Наука и жизнь, МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ)
Ферромагнитная жидкость https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C
Феррожидкость — что это и как сделать ферромагнитную жидкость самому http://www.sciencedebate2008.com/ferrofluid/

Интерес к магнитным жидкостям, естественно, объясняется не только научными причинами. Эти уникальные материалы имеют очень широкие возможности практического использования.

Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитожидкостные герметизаторы, подшипники и смазочные узлы. Принципиальная схема цилиндрического уплотняющего узла с магнитной жидкостью показана на рис. 7.

Действие устройства основывается на образовании и удержании кольцевого слоя магнитной жидкости на вращающемся или аксиально перемещающемся валу в зоне сильного магнитного поля, формируемой постоянными магнитам и ферромагнитными концентраторами поля. Продольный перепад удерживаемого давления определяется средней намагниченностью жидкости и напряженностью магнитного поля в межполюсном зазоре.

Одна ступень герметизатора способна выдержать перепад давления порядка 0,3--0,5 атм. Для повышения удерживающего давления герметизаторы делаются многоступенчатыми. При оптимальной геометрии системы магнитов и магнитопровода удается обеспечить условия, при которых суммарное удерживающее давление пропорционально количеству ступеней.

Рисунок 7

Магнитожидкостные герметизаторы имеют ряд важных преимуществ перед известными уплотнительными устройствами. Это, прежде всего, малый момент трения, самовосстановление уплотняющей способности при прорыве, отсутствие износа (при использовании малоиспаряющихся жидкостей-носителей) и возможность подпитки уплотняющего кольца жидкости без разбора конструкции узла. К недостаткам относятся сравнительно малое удерживаемое давление и невысокая рабочая температура (не выше 100--130°С), а также нагревание жидкости при высоких скоростях вращения вала и трудность герметизации жидкостей в многоступенчатых уплотнителях.

Магнитожидкостные уплотнители широко используются в вакуумной технике применительно к задачам космической техники и полупроводниковой технологии. Американская компания «Ferrofluidic Corporation» сообщает, в частности, о создании установок для выращивания сверхчистых монокристаллов кремния и арсенида галлия. Имеются сведения об успешном применении магнитожидкостных герметизаторов в уплотнении реакторов для биохимической технологии.

Уплотняющие слои магнитных жидкостей могут выполнять одновременно и функции жидких подшипников.

Силы магнитной левитации способствуют удерживанию вращающегося вала в центральном симметричном положении, а также стабилизируют жидкостные системы торцевого подвеса вращающихся или линейно перемещающихся узлов. Использование магнитных жидкостей на основе смазочных масел и специальных поверхностно-активных веществ обеспечивает одновременно эффективную смазку трущихся поверхностей. В технической литературе имеются сведения о создании магнитожидкостных подшипников самого различного назначения. В частности, оборудование заводов текстильной промышленности шпинделями с магнитной жидкостью существенно понижает уровень шума в производственных помещениях. Компания «Ferrofluidic Corporation» широко рекламирует высококачественные блоки с твердыми дисками памяти для современных вычислительных машин. Имеются сведения об использовании магнитожидкостных уплотнителей и смазочных узлов в робототехнике, в газовых лазерах, в устройствах с волоконной оптикой и др.

Левитация намагниченных тел в магнитной жидкости используется для создания различных демпферов колебаний, например, инерционных систем стабилизации ротационного движения. Вращающийся вал соединен с замкнутым объемом стабилизатора, в котором благодаря силе магнитной левитации подвешена инерционная масса -- цилиндрический постоянный магнит. Зазор между поверхностями корпуса и инерционного тела весьма узок, и магнитная жидкость в нем выполняет функции подшипника и демпфера. В равновесном режиме инерционная масса вращается синхронно с валом. При изменении скорости вращения вала в слое магнитной жидкости за счет инерции подвешенной массы возникает момент трения, направленный на восстановление прежней скорости. Инерционная масса способствует также сглаживанию, переходных процессов пуска и остановки двигателя. Аналогичные устройства используются для борьбы с резонансными колебаниями исполнительных механизмов с шаговыми двигателями, в двухкоординатных самописцах и др.

Целый набор положительных эффектов возникает при использовании магнитных жидкостей в электродинамических головках громкоговорителей (рис. 8). Жидкость заполняет магнитный зазор, в котором размещена катушка акустического элемента. Так как магнитное поле в зазоре достигает индукции ~15--20 кГс, жидкость в нем надежно удерживается даже при больших амплитудах колебаний акустического элемента. За счет сил магнитной левитации обеспечивается центровка катушки в зазоре. Кроме того, демпфирующее действие вязкости магнитной жидкости способствует подавлению основного и дополнительных пиков резонанса, а также снижает фазовые искажения сигнала. Это обстоятельство особенно важно в высокочастотных громкоговорителях, в которых затруднена борьба с резонансными явлениями радиотехническими способами. Магнитная жидкость заметно сокращает время релаксации переходных процессов и снижает искажения сигнала при ударном возбуждении. Все это заметно повышает качество воспроизведения звука.

Рисунок 8

Однако главный положительный эффект, достигаемый погружением катушки акустического элемента в магнитную жидкость, связан с существенным улучшением условий охлаждения катушки. При работе громкоговорителя в катушке выделяется большое количество джоулева тепла. Это тепло передается массивному магнитопроводу динамика посредством теплопроводности через слой среды, заполняющей зазор. Так как коэффициент теплопроводности воздуха весьма низок, катушка сильно нагревается. Коэффициент же теплопроводности магнитной жидкости в 5--7 раз больше, поэтому она заметно снижает тепловое сопротивление зазора, и температура катушки сильно понижается. Следовательно, магнитная жидкость в зазоре позволяет значительно повысить акустическую мощность громкоговорителя без превышения допустимой температуры катушки.

Динамики с магнитожидкостным заполнением акустического зазора выпускают многие ведущие компании мира. Сперва выпускались высокочастотные громкоговорители, в последнее время разработаны широкополосные динамики с магнитной жидкостью для мощных акустических систем автомобильных радиоприемников и магнитофонов. В СССР пионером применения магнитных жидкостей в громкоговорителях среднечастотного диапазона является латвийская фирма «Radiotehnika».

Магнитные жидкости получили широкое применение в различных измерительных устройствах. В них используется магнитная левитация в сочетании с демпфирующей способностью жидкости. Часто детектирование сигнала основано на магнитных свойствах коллоида. Характерным примером является магнитожидкостный акселерометр, принципиальная схема которого показана на рис. 9. Чувствительный элемент прибора представляет собой тонкий цилиндр, в котором свободно плавает инерционная масса -- цилиндрический же аксиально намагниченный постоянный магнит. В состоянии покоя или при равномерном движении в направлении оси цилиндра сила магнитной левитации удерживает магнит в центральном симметричном положении. При ускорении инерционная масса смещается в направлении, противоположном вектору ускорения. Это смещение регистрируется приемными катушками датчика. Наиболее удобным является компенсационный способ измерений, по величине силы тока в катушках, удерживающего инерционную массу в центральном симметричном положении. Используя три взаимно перпендикулярно ориентированных датчика, можно измерить пространственные координаты вектора ускорения. Отметим, что датчик, изображенный на рис. 3, может быть использован для создания электрического уровнемера, в котором заинтересованы, например, средства морского транспорта, научные лаборатории океанографических исследований для измерения интенсивности волнения моря и др.

Рисунок 9

В научно-технической литературе описано множество магнитожидкостных устройств для измерения давления, расхода, газов и жидкостей, электрического тока, плотности твердых тел, вязкости жидкостей. Созданы приборы неразрушающего контроля качества изделий. Например, путем измерения собственного поля магнитной жидкости, заполняющей пустоты в массивном теле, можно контролировать точность диаметра и геометрического места сверлений в различных деталях. Магнитные жидкости используются также для улучшения акустического контакта между излучателем и деталью в ультразвуковой дефектоскопии. На основе магнитооптических эффектов в коллоидах разработаны методы изучения топографии микронеоднородностей магнитного поля. Достигнута высокая разрешающая способность методов визуализации топографии магнитного поля для анализа качества записи видеосигналов.

Известны многочисленные работы по созданию, печатающих устройств с магнитными чернилами. В одних случаях печатание осуществляется управлением траектории струйки магнитной жидкости полем, в других -- развитием электростатических неустойчивостей в слое магнитных чернил в импульсном электрическом поле. На рис. 10 показан образец шрифта печатающего устройства, разработанного японской компанией «Matsushita Electric». Достигнута чрезвычайно высокая скорость печатания и хорошая разрешающая способность шрифта (~6--8 линий на 1 мм). Сообщается о возможности печатания цветных изображений. Реальное применение этой разработки требует решения ряда технологических вопросов, связанных с устойчивостью магнитных чернил в неоднородном магнитном поле.

Рисунок 10

Известны разработки по применению магнитных жидкостей в технологических целях. Например, созданы магнитожидкостные сепараторы для разделения минералов и вторичного сырья. Действие этих устройств основывается на зависимости давления в магнитной жидкости от напряженности внешнего поля. Повышая градиент намагничивающего поля, можно заставить всплывать в магнитной жидкости включения с плотностью, значительно превышающей плотность жидкости. Широкое применение магнитных сепараторов в промышленности ограничивает стоимость магнитной жидкости, так как пока не удается обеспечить ее полную регенерацию в технологическом процессе.

Известны и другие предложения технологического использования магнитных жидкостей, например, в нефтеперерабатывающей промышленности, для очистки воды от загрязнений нефтепродуктами.

Существуют практические предложения, основанные на использовании термомагнитной конвекции. Заманчивы термомагнитные системы охлаждения тепловыделяющих элементов, особенно в случаях, когда соответствующий аппарат или устройство имеет источники магнитного поля. В литературе описаны термосифоны, в которых теплоотвод регулируется магнитным полем. Магнитные жидкости могут использоваться для охлаждения силовых электрических кабелей, анодов мощных магнетронов, обмоток статоров электрических машин. Имеются и более смелые идеи, например, по созданию термомагнитных жидкостных систем охлаждения будущих термоядерных реакторов. Однако для их осуществления нужны новые магнитные жидкости с высокими значениями пиромагнитного коэффициента, способные работать при повышенных температурах. Пока в этом направлении достигнуты лишь первые, отнюдь не решающие успехи. По этой причине практически не реализована одна из наиболее интересных идей, выдвинутая на заре развития феррогидродинамики, -- создание компактных и простых термомагнитных генераторов электроэнергии.

Если говорить о перспективных работах, следует упомянуть и заманчивые предложения применить магнитные жидкости в медицине. Уже двадцать лет тому назад американский нейрохирург Дж. Алксне предложил использовать магнитные суспензии для тромбирования артериальных аневризм головного мозга. Сущность предложения состоит в том, что суспензия, содержащая связующие компоненты, удерживается в аневризме внешним магнитным полем до образования устойчивого тромба и полимеризации связующего вещества. Это уменьшает вероятность тромбирования кровеносных сосудов, вызванного уносом суспензии из аневризмы в начальной стадии лечения. Метод внедрен в клиническую практику.

В Институте медицинской радиологии АМН СССР разработано и апробировано магнитное рентгеноконтрастное вещество для диагностики заболеваний органов пищеварительного тракта. Возможность управления местоположением этого препарата внешним магнитным полем позволяет обследовать труднодоступные места кишечника, равно как дает возможность провести динамические исследования подвижности внутренних органов, что важно, в частности, в диагностике раковых заболеваний.

Примерно десять лет тому назад возникла идея магнитного транспорта лекарственных препаратов. Во многих лабораториях созданы магнитные жидкости на базе лечебных препаратов, доказана возможность их магнитной локализации в организме. Созданы также магнитные микроносители -- полимерные микросферы и микрокапсулы, липосомы, в которых включены лекарственные препараты. Имеются также сведения о придании магнитных свойств природным клеткам (магнитные лимфоциты и тени эритроцитов), которые могут быть использованы для направленного транспорта лекарств. Получены положительные результаты в локализации противораковых, сосудорасширяющих и тромборастворяющих препаратов. В экспериментах in vivo продемонстрирована возможность магнитной локализации паралитического действия курареподобных препаратов. Указанные исследования, однако, еще не завершены, до клинического применения магнитного транспорта лекарств еще долгий путь обширных и всесторонних медицинских исследований.

Электронные устройства.

Ферромагнитные жидкости используются для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках. Вращающаяся ось окружена магнитом, в зазор между магнитом и осью помещено небольшое количество ферромагнитной жидкости, которая удерживается притяжением магнита. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска. Согласно утверждениям инженеров Ferrotec Corporation, жидкие уплотнители на вращающихся осях в норме выдерживают давление в от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм (примерно от 20 до 30 кПа), но такие уплотнители не очень годятся для узлов с поступательным движением (например, поршней), так как жидкость механически вытягивается из зазора.

Ферромагнитная жидкость также используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

Машиностроение.

Ферромагнитная жидкость способна снижать трение. Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового, она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Ferrari использует магнитореологические жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой.

Оборонная промышленность.

Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.

Авиакосмическая промышленность.

NASA проводило эксперименты по использованию ферромагнитной жидкости в замкнутом кольце как основу для системы стабилизации космического корабля в пространстве. Магнитное поле воздействует на ферромагнитную жидкость в кольце, изменяя момент импульса и влияя на вращение корабля.

Аналитические приборы.

Ферромагнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером.

Медицина.

Ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей.

Теплопередача.

Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где не годится обычная конвекция, например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации.

Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг звуковой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри--Вейса, становясь менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру. Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии.

Генераторы.

Горнорудная промышленность .

Ферромагнитная жидкость может быть использована в составе магнитножидкостного сепаратора для очистки от шлиха мелкого золота.

(ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле [ ] ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости . Действительно ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно. [ ]

Энциклопедичный YouTube

1 / 4

✪ Ферромагнитная жидкость/Ferrofluid

✪ Как сделать ФЕРРОМАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ ИЗ БЕНГАЛЬСКИХ ОГНЕЙ!Ферромагнитная жидкость!How make ferrofluid

✪ МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ СВОИМИ РУКАМИ MAGNETIC FLUID LIQUID METAL ferrofluid ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙ

✪ Как сделать МАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ

Субтитры

Описание

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость , в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей , смазки , а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Разница между ферромагнитной жидкостью и магнитореологической жидкостью в размере частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1-3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.

Нестабильность в нормально направленном поле

Типичные поверхностно-активные вещества для ферромагнитных жидкостей

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ :

полиакрилат натрия

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры , которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для её магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая её вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии (так сказать, её «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов , позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.

Применение

Электронные устройства

Ферромагнитная жидкость используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером , подавляя нежелательный резонанс . Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

Машиностроение

Ферромагнитная жидкость способна снижать трение . Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового , она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Оборонная промышленность

Авиакосмическая промышленность

Медицина

Ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей .

Теплопередача

Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где не годится обычная конвекция , например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации .

Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг звуковой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри - Вейса , становясь менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру . Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии.

Генераторы

Горнорудная промышленность

Ферромагнитная жидкость может быть использована в составе магнитножидкостного сепаратора для очистки от

Веклич А.В,
Ерушевич Д.А,
Борисов Р.А,
Рачек В.Б.
Институт инженерной физики и радиоэлектроники СФУ
660074, Красноярск, ул. Киренского 26.
E-mail: [email protected]

В данной статье рассматриваются способ получения ферромагнитной жидкости, спектр ее применения на производстве.

Ключевые слова: Ферромагнитная жидкость, феррофаза.

This article discusses a method for producing a ferromagnetic fluid, the spectrum of its application in the workplace.

Keywords : Ferrofluid, ferrophase.

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Для обеспечения устойчивости ФЖ частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил. Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «супермагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости. Ферриты-химические соединения оксида железа Fe 2 O 3 c оксидами других металлов.

Рассмотрим принцип получения ферромагнитной жидкости.

Выделим основные задачи:

1) получить высокодисперсные частицы феррофазы;

2) стабилизировать их в жидкости-носителе.

Оценки показывают, что для обеспечение устойчивости МЖ, необходимо обеспечить получение частиц ферромагнетика размером 500- 2000 нм. Достичь таких размеров можно или измельчая крупные частицы мaгнетика, или же выращивая их из молекулярных размеров до коллоидных. Второй очень важной технолoгической особенностью получения магнитных жидкостей, высоко дисперсных магнитных материалов является защита коллоидных частиц от окисления и предотвращения агломерации и коагуляции как в процессе получения, так и при переводе частиц в коллоидное состояние в жидкости-носителе. Наиболее успешно эта задача решается путем получения высокодисперсных частиц непосредственно в жидкости-носителе и стабилизации их ПАВ в момент или сразу после их образования. Условием эффективной стабилизации частиц является совместимость феррофазы, стабилизатора и дисперсионной среды, при этом наилучшими стабилизаторами оказываются такие вещества, которые хорошо адсорбируются на поверхности частиц феррофазы, а свободной частью своей молекулы хорошо растворяются в жидкости-носителе. Этим условиям обычно хорошо отвечают вещества с длинной углеводородной цепочкой (C10-C20) содержащие функциональные группы (-OH, -NH 2 , -COOH, SO 3 H и т.д.). Способы получения коллоидных систем МЖ можно разделить на методы диспергирования и методы конденсации.

Для получения МЖ в химической лаборатории использовался метод конденсации высокодисперсного магнетита, в основе которого лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде: FeSO 4 *7H 2 O + 2FeCl 3 *6H 2 O + 8NH 3 *H 2 O → Fe 3 O 4 + 6NH 4 Cl + (NH) 2 SO 4 + 20H 2 O

Реактивы: FeSO 4 *7H 2 O; FeCl 3 *6H 2 O; 25%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода, мыло.

Предложенные для проведения эксперимента массы веществ были уменьшены в четыре раза.

1. В дистиллированной воде растворить FeSO 4 *7H 2 O и FeCl 3 *6H 2 O (при слабом подогреве и несильном помешивании).

2. Полученный раствор отфильтровать в другую колбу для отделения от механических примесей.

3. Залить в чистую колбу 25%-ный раствор аммиака.

4. Тонкой струей влить отфильтрованный раствор в колбу с «аммиачной водой» при интенсивном помешивании. Коричнево-оранжевый раствор мгновенно превращается в суспензию черного цвета.

5. Долить к получившемуся раствору немного воды и поставить колбу с образовавшейся смесью на магнит на 30 мин.

6. После выпадения частиц магнетита на дно колбы (под действием сил магнитного поля), крайне осторожно слить около 2/3 раствора, придерживая осадок магнитом. Снова залить дистиллированную воду в колбу, в таком же количестве, и хорошо перемешивая раствор. Поставить колбу на магнит. Повторять эти действия до тех пор, пока pH сливного раствора не станет нейтрален.

7. Получившуюся суспензию отфильтровать и собрать осадок.

8. Осадок смешать с заранее полученным ПАВ.

9. Нагревать полученную смесь в течение часа (t=80˚C), хорошо перемешивая.

10. Охладить полученную смесь до комнатной температуры. Добавить дистиллированной воды и тщательно размешать.

Разведенную в воде смесь поставить на магнит на несколько часов, после чего ферромагнитная жидкость готова.

Магнитные жидкости (MЖ) - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекyчими магнитoуправляемыми свойствами с широкими перспективам применения в технике, медицине, экологии. MЖ обладает всеми преимуществами жидкого материала - малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость МЖ позволяет удерживать ее в нужном месте устройства под действием магнитного поля. Сейчас для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую. Рассмотрено некоторые наиболее интересные и перспективные области применения магнитной жидкости.

Сформируем вывод о проделанной работе.

Магнитные жидкости, обладают, огромным потенциалом и несут в себе, если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений.

Список литературы

Арефьев И.М. «Применение магнитных жидкостей. Магнитная смазка». Москва: Наука, 2000г.
Берлин М.А., Грабовский Ю.П., Соколенко В.Ф., Пиндюрина Н.Г. Некоторые вопросы технологии получения ферромагнитных жидкостей, Иваново, 1981г.
Контарев А.В., Стадник С.В., Лешунков В.А. «Применение магнитных жидкостей. Успехи современной науки», 2006г.
Северцев Л.Г. Статья «Магнитные жидкости - яд для рака!» Журнал «Молекулярная медицина» № 3, 2003г.
Сенатская И.И., Байбуртский Ф.С. «Жидкость, которая твердеет в магнитном поле» Химия и жизнь, 2002г.