Магнитная жидкость что это такое

МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ

И. Сенатская, кандидат химических наук Ф. Байбуртский

Все изменилось, когда за дело взялись химики и создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок.

Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами (2).

Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях.

Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. А поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. А пока поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости.

В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном.

А вот еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз!

А преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (4).

Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.

Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму (6).

Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Все процедуры при этом существенно упрощаются.

Получив магнитную жидкость, раскрепостите свою фантазию. Придумайте с нею физический опыт, сделайте занимательную игрушку. Пришлите в редакцию рассказ о своей работе с цветными иллюстрациями. Самые интересные отчеты будут опубликованы. Желаем удачи!

Источник

Магнитная жидкость

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

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные растворы, 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. 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. [1]

Содержание

Описание

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. [2] 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

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

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.

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

Оборонная промышленность

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

В медицине биологически совместимые ферромагнитные жидкости могут быть использованы для диагностики рака. Также ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей. Предполагается, что феромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль.

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 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. [3]

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. [4]

См. также

Примечания

Источники

Ссылки

Оптические и магнитные свойства

Инструкции по приготовлению

Полезное

Смотреть что такое «Магнитная жидкость» в других словарях:

магнитная жидкость — Термин магнитная жидкость Термин на английском magnetic fluid Синонимы феррожидкость, magnetic liquid, ferrofluid Аббревиатуры МЖ Связанные термины «умные» материалы, гипертермия, коллоидный раствор, наночастица, суперпарамагнетизм,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — наука о движении электропроводящих газов и жидкостей во взаимодействии с магн. полем. При движении электропроводящей среды (газа, жидкости), находящейся в магн. поле, в ней индуцируются электрич. поля и токи, на к рые действует магн. поле и к рые … Физическая энциклопедия

МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — наука о движении электропроводящих жидкостей и газов в присутствии магнитного поля; раздел физики, развившийся на стыке гидродинамики и классической электродинамики. Характерными для М. г. объектами явл. плазма (настолько, что М. г. иногда… … Физическая энциклопедия

магнитная сепарация смазочно-охлаждающей жидкости — Отделение ферромагнитных частиц твердого загрязнителя от смазочно охлаждающей жидкости при воздействии на жидкость магнитных полей. [ГОСТ Р 51779 2001] Тематики жидкости смазочно охлаждающие … Справочник технического переводчика

Магнитная гидродинамика — Механика сплошных сред … Википедия

Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе. Объёмная М. в. равна отношению намагниченности единицы объёма вещества J к напряжённости Н… … Большая советская энциклопедия

Магнитная гидродинамика — (МГД) наука о движении электропроводящих жидкостей и газов в присутствии магнитного поля (См. Магнитное поле); раздел физики, развившийся «на стыке» гидродинамики (См. Гидродинамика) и классической электродинамики (См. Электродинамика).… … Большая советская энциклопедия

МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — (сокращенно МГД), раздел науки, занимающийся взаимодействием электропроводящих потоков с электрическим и магнитным полями. Когда в поперечном магнитном поле движется текучая среда, проводящая электричество, в ней наводятся токи. Эти токи вызывают … Энциклопедия Кольера

Магнитная плёнка-визуализатор — Плёнка показывает магнитные полюса магнита на холодильник. Полюса темнее, края полюсов светлее. Магнитная плёнка визуализатор используется, чтобы показать стационарные, или … Википедия

Жидкость — агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Ж., сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная… … Большая советская энциклопедия

Источник

15 интересных фактов о магнитных жидкостях

Здесь мы рассмотрим, что они из себя представляют, как они работают.

Что такое магнитная жидкость?

Магнитные жидкости, согласно науке являются:

«Коллоидные системы, состоящие из однодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе, являются удобными модельными системами для исследования фундаментальных свойств магнитных наночастичных систем.»

Эти жидкости, как правило, остаются в жидком состоянии, даже когда они контролируются, перемещаются или кинетически взаимодействуют с магнитным полем.

Традиционные методы приготовления магнитных жидкостей включают длительное измельчение магнитного материала стальными шариками в течение нескольких недель в среде-носителе, содержащей диспергирующий агент.

В этих методах измельчения олеиновую кислоту обычно использовали для стабилизации дисперсий в керосине и других углеводородных дисперсионных средах.

Один из примеров называется феррофлюид или ферромагнитная жидкость. Эта магнитная жидкость становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля и была впервые разработана НАСА в начале 1960-х годов.

Он был разработан для поиска способа перемещения жидкого ракетного топлива на входе насоса в условиях низкой гравитации или невесомости.

Магнитные жидкости, например, феррожидкости, как правило, состоят из наноразмерных частиц, каждая из которых обычно покрывается поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их скопление. Феррожидкости обычно теряют индуцированный магнетизм при удалении из внешнего магнитного поля.

По этой причине они классифицируются как «суперпарамагниты».

Однако в 2019 году команде исследователей из Массачусетского университета и Пекинского университета химических технологий удалось создать магнитную жидкость, которая может оставаться постоянно намагниченной. Этот прорыв бросил вызов устоявшейся вере в то, что только плотные твердые частицы с фиксированной формой способны на это свойство.

Как работают ферромагнитные жидкости?

Феррожидкости, как мы видели, содержат мельчайшие частицы окиси железа. Когда магнит притягивается близко к жидкости, эти частицы притягиваются к ней.

Это обычно приводит к тому, что жидкость создает удивительные выглядящие иглы или шипы. Причина этого кроется в сложном взаимодействии различных сил.

Частицы оксида железа притягиваются к магнитному полю, а также само магнитное поле притягивается к жидкости.

Частицы и масло работают вместе как единое целое благодаря наличию поверхностно-активного вещества. Один конец поверхностно-активного вещества плотно прилегает к частицам оксида железа, а другой также удерживает масло.

Из-за этого феррожидкость в целом направляется в концентрированные колонны.

В то же время сила тяжести пытается оттянуть колонны вниз, в то время как поверхностное натяжение масла заставляет каждую колонку тянуть себя, создавая характерные иглы жидкости.

Вы можете прикоснуться к феррожидкости?

Конечно, можете, но это не рекомендуется. Феррожидкость считается основным раздражителем кожи.

Как только Вы касаетесь феррожидкости пальцем, жидкость быстро начинает перемещаться вверх по гребням пальца и вокруг ногтя.

Это не только выглядит неприглядно, но и может и будет раздражать вашу кожу. Она также может надолго оставить на коже пятно.

15 фактов о магнитных жидкостях

Итак, без лишних слов, вот 15 фактов о чудесных материалах, которые являются магнитными жидкостями. Этот список далеко не исчерпывающий и не имеет определенного порядка.

1. Магнитные жидкости, а именно феррожидкости, были разработаны в 1960-х годах Стивом Папелем из НАСА, чтобы помочь перемещать ракетное топливо в условиях микрогравитации.

2. Когда эти жидкости подвергаются воздействию магнитного поля, они имеют тенденцию образовывать характерные шипы или иголки.

3. Большинство магнитных жидкостей не остаются намагниченными в отсутствие внешнего магнитного поля.

4. Феррожидкости обладают сильной окрашивающей способностью и могут окрашивать кожу, стекло и даже керамические поверхности.

5. Настоящая феррожидкость остается стабильной в течение длительного периода времени. Это происходит потому, что содержащиеся в них твердые частицы не агломерируются и не отделяются под действием силы тяжести.

6. Феррожидкости в настоящее время исследуются для лечения опухолей. Идея состоит в том, чтобы ввести их в опухоль и разорвать их на части с помощью магнитных полей.

7. Есть надежда, что магнитные жидкости могут помочь в разработке умных жидкостей в будущем. Такие жидкости могут изменять состояние между твердым и жидким по команде.

8. Некоторые феррожидкости были использованы в системах подвески автомобилей. Изменяя электрический ток через них, жидкость регулирует жесткость подвески в зависимости от условий вождения.

9. Магнитные жидкости становятся все более популярными в качестве художественной среды. В некоторых художественных и научных музеях есть специальные экспонаты, посвященные этим удивительным жидкостям.

10. Возможно, Вы также заметили феррожидкости более чем в нескольких музыкальных клипах. Например, группа Pendulum использовала феррожидкость для музыкального клипа к треку «Акварель».

11. Типичная феррожидкость состоит из 5% магнитных твердых тел, 10% поверхностно-активных веществ и 85% несущей жидкости.

12. Поверхностно-активные вещества имеют жизненно важное значение для феррожидкостей, поскольку они снижают поверхностное натяжение между жидкими и твердыми компонентами. Обычно для этой цели используют олеиновую кислоту, гидроксид тетраметиламмония, лимонную кислоту или соевый лецитин.

13. НАСА также экспериментировало с текучими железными жидкостями в замкнутом контуре с электромагнитами в качестве системы контроля высоты.

14. Магнитные жидкости, такие как феррожидкости, сегодня используются в различных технологиях. Применяются в громкоговорителях, компьютерных жестких дисках, двигателях с вращающимся валом и в качестве контрастного вещества для МРТ.

15. Феррожидкости не следует путать с магнитореологическими жидкостями. Последний состоит из частиц микрометрового масштаба, которые со временем осядут под действием силы тяжести.

Источник