Ферромагнитная жидкость

Ферромагнитная жидкость на стекле под воздействием магнита под стеклом.

Ферромагни́тная жи́дкость (ФМЖ, магни́тная жи́дкость, феррожидкость, феррофлюид) (от латинского ferrum — железо) — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные 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. Вопреки названию, ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости.

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 данном случае 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 твёрдые 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 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.

Неустойчивость в нормально направленном поле

Ферромагнитная жидкость проявляет неустойчивость 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 «неустойчивость 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:

• олеиновая кислота
• гидроксид тетраметиламмония
• полиакриловая кислота
• полиакрилат натрия
• лимонная кислота
• соевый лецитин

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжёлые 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 «твёрдость») 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. Нанесённая 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 жёсткой или более мягкой. Помимо Ferrari, подобные разработки уже давно нашли применение в автомобилях Audi, Cadillac, BMW и других.

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.

Оптика

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

Медицина

Ведётся 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 объёмная 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

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 ультразвука.

Горнорудная промышленность

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

См. также

• Магнитогидродинамика
• Физика плазмы
• Гидромеханика
• Механика сплошных сред
• Магнитожидкостное уплотнение
• Магнитная плёнка-визуализатор

Литература

• Брук Э. Т., Фертман В. Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. Минск, Вышейшая школа, 1983.
• Ferrohydrodynamics (1985), Ronald. E. Rosensweig. The usual starting reference for learning the details of ferrofluids.
• М. В. Авдеев, В. Л. Аксенов. Малоугловое рассеяние нейтронов в структурных исследованиях магнитных жидкостей (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2010. — Т. 180. — С. 1009—1034.

Ссылки

• Пятёрка аномальных субстанций
• Создание ферромагнитных скульптур
• ferrofluid works video"
• «Space age goop morphs between liquid and solid»
• A comparison of ferrofluid and MR fluid (at the bottom of the page)
• Chemistry comes alive: Ferrofluid
• Research project about ferrofluides
• Flow behavior of ferrofluids
• MIT Explores Ferrofluid Applications (недоступная ссылка)
• Ferrofluid Sculptures by Sachiko Kodama (Google Video)
• Daniel Rutter has some fun with Ferrofluid
• pressure valve"
• Ferrofluid Sculptures FLYP Media video story on Sachiko Kodama, an artist who works with ferrofluid.

Оптические и магнитные свойства

• Dynamic Etalon utilizing ferrofluid- image gallery, references, published papers

Инструкции по приготовлению

• [chemistry.about.com/od/demonstrationsexperiments/ss/liquidmagnet.htm FerroFluid Synthesis]
• Berger, Patricia; Nicholas B. Adelman, Katie J. Beckman, Dean J. Campbell, et al. Preparation and properties of an aqueous ferrofluid (англ.) // Journal of Chemical Education : journal. — 1999. — July (vol. 76, no. 7). — P. 943—948.
• Interdisciplinary education group: Ferrofluids (contains videos and a lab for synthesis of ferrofluid)
• Synthesis of an Aqueous Ferrofluid — instructions in PDF and DOC format