Магнитные жидкости (или феррожидкости) представляют собой высокодисперсные системы из ферромагнитных или ферримагнитных частиц в жидких основах (органические и неорганические жидкости, вода). Каждая частица покрывается слоем поверхностноактивного вещества (ПАВ), который изолирует частицы друг от друга и не даёт им слипаться (рис. 1). В результате получается устойчивая и очень чувствительная к внешнему магнитному полю двухфазная жидкая среда, свойства которой близки к свойствам однородной жидкости.
Рис. 1. Принципиальная схема строения магнитных жидкостей: характерный размер (2–20 нм) магнитных наночастиц, покрытых оболочкой ПАВ, соответствует их однодоменному состоянию намагниченности, обозначенному стрелками
Термин «магнитные жидкости» был предложен С. Пейпеллом из Национального управления воздухоплавания и астронавтики (НАСА, США) в середине 1960-х годов.
Следует заметить, что коллоидные растворы, содержащие ультрамикроскопические магнитные частицы, а также способы их приготовления были известны намного ранее. Так, в 1931 году американский физик Ф. Биттер впервые непосредственно в микроскоп наблюдал магнитные домены, используя в своих экспериментах суспензию, содержавшую мелкие ферромагнитные частицы, которая наносилась на ферромагнитный кристалл.
Принципиальной особенностью магнитных жидкостей является размер дисперсных частиц, который варьируется от 3 до 20 нм и более, в зависимости от используемого магнитного вещества. Именно это обстоятельство в совокупности с правильно подобранным ПАВ обусловливает их высокую стабильность. В магнитных жидкостях не происходит фазового расслоения во внешнем магнитном поле, и после снятия поля они практически полностью восстанавливают свои первоначальные характеристики. Это существенно отличает магнитные жидкости от магнитореологических жидкостей, представляющих собой магнитные суспензии, состоящие из магнитных частиц размером 1–10 мкм. Магнитореологические жидкости практически затвердевают при приложении магнитного поля, и их повторное использование требует передиспергирования слипшихся частиц в жидкие основы. С физической точки зрения, обозначенное различие определяется близостью в магнитных жидкостях энергии притяжения между коллоидными частицами к тепловой энергии частиц (броуновское отталкивание). Частицы в магнитореологической жидкости, имеющие в основном микрометровые размера, оказываются слишком тяжелыми, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. При приложении магнитного поля магнитные жидкости не проявляют структурирования частиц или развития сопротивления потоку подобно магнитореологическим жидкостям. Вместо этого, магнитные жидкости испытывают действие объемной силы, которая пропорциональна градиенту магнитного поля и вызывает притяжение магнитной жидкости как целого в области с высокой напряженностью магнитного поля.
Другой важной особенностью магнитных жидкостей является однодоменное состояние спонтанной намагниченности их частиц, как следствие малости их размеров, что обусловливает близкое к суперпарамагнитному поведение магнитных жидкостей.
Эффект суперпарамагнетизма в магнитных жидкостях проявляется в особом изменении магнитных свойств наноразмерных магнитных частиц, когда при уменьшении их размера ниже некоторого критического значения их разбиение на домены становится энергетически невыгодным и, как следствие, полидоменные наночастицы превращаются в однодоменные. Магнитные жидкости представляют систему однодоменных частиц с однофазной намагниченностью, если их температура Т остается ниже точки Кюри для ферромагнетиков Tc. Магнитный момент каждой частицы хаотически переориентируется относительно её кристаллографических направлений из-за тепловых флуктуаций. Суперпарамагнитная восприимчивость, характеризующая способность намагничиваться во внешнем магнитном поле, в магнитных жидкостях при комнатной температуре в ~104 раз превышает восприимчивость обычных жидкостей.
При нагревании магнитных жидкостей выше Тс их магнитная восприимчивость существенно уменьшается. Этот факт лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои магнитной жидкости с Т < Тс, обладая большей магнитной восприимчивостью, способны втягиваться в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя более нагретые слои (с Т > Тс). Так возникает термомагнитная конвекция, которая по интенсивности может во много раз превосходить обычную гравитационную конвекцию, причём величину и направление термомагнитной конвекции можно изменять при помощи магнитного поля. Термомагнитную конвекцию можно использовать, например, для увеличения теплообмена в силовых трансформаторах, применяя магнитную жидкость на основе трансформаторного масла.
Объёмная доля магнитных частиц в магнитных жидкостях может достигать 25 %. В качестве диспергируемых магнитных материалов в магнитных жидкостях используется широкий диапазон веществ с локальной спонтанной намагниченностью, включая оксиды железа (магнетит Fe3O4), ферриты, соединения кобальта и никеля. В качестве дисперсионной среды служит вода, углеводородные и кремнийорганические жидкости. Существуют также магнитные жидкости на основе вакуумного, трансформаторного, вазелинового масел и т.д. Для создания электропроводных магнитных жидкостей в качестве дисперсионной среды используют ртуть или эвтектические сплав индий – галлий – олово, содержащие частицы Fe, Ni, Co, стабилизированные оловом, висмутом, литием. Наибольшее распространение получили магнитные жидкости на основе магнетита (Fe3O4), диспергированного в керосине и стабилизированного олеиновой кислотой.
Как указывалось выше, для обеспечения агрегативной устойчивости, т.е. для предотвращения слипания магнитных частиц, в суспензию вводят стабилизаторы – поверхностно-активные вещества. Обычно ПАВ состоят из полярных органических молекул, создающих на поверхности частиц адсорбционно-сольватные защитные слои, препятствующие сближению и слипанию частиц под действием межмолекулярных сил (близкодействующих сил притяжения). На рис. 2 схематично показаны структуры частиц магнитных жидкостей, соответствующие основным видам стабилизации жидкостей.
Рис. 2. Основные типы стабилизации магнитных жидкостей: а – одиночная стерическая; б – двойная стерическая; в – ионная (электростатическая)
Стабилизация магнитных жидкостей на основе органических неполярных растворителей (бензол, гексан, толуол, декалин) осуществляется посредством формирования одиночного слоя ПАВ на поверхности магнитных частиц (рис. 2, а) благодаря хемосорбции ПАВ. Классическим ПАВ для такой цели является олеиновая кислота (С18Н34О2) – ненасыщенная монокарбоновая кислота с длиной молекулы около 1,8 нм. Соответствующая оболочка обеспечивает достаточное неэлектростатическое (стерическое) отталкивание между частицами.
В полярных жидких основах, в том числе в воде, взаимодействие между лиофильной головой ПАВ и жидкостью конкурирует с адсорбцией головы ПАВ на поверхности магнитных частиц. Для предотвращения десорбции ПАВ используется двойная стерическая стабилизация, при которой для описанных выше частиц с одним слоем ПАВ формируют второй слой ПАВ за счёт его физической адсорбции на первом слое (рис. 2, б). При этом требуется избыток второго ПАВ в растворе. Стабилизация такого рода из-за полярности компонентов раствора (как растворителя, так и ПАВ) не может быть полностью стерической. На границе раздела оболочкарастворитель в той или иной степени всегда присутствует некоторый наведённый заряд, который вносит дополнительный вклад в стабилизацию через образование двойного электрического слоя вокруг частиц. В водной основе может быть реализована чисто электростатическая стабилизация (рис. 2, в) за счёт ионов H+, OH или ионосодержащих групп (например, цитрата иона C3H5O(COO)3~) на поверхности частиц. Данный класс магнитных жидкостей обладает высокой чувствительностью к рН и ионной силе жидкой основы.
В качестве стабилизирующей оболочки вокруг магнитных частиц, главным образом для биомедицинских применений, используют также различные полимеры. Интерес к данному виду стабилизации обусловлен следующими двумя факторами. Во-первых, частицы с полимерным покрытием легче поддаются функционализации, т.е. присоединению к ним химических групп, требуемых в тех или иных применениях. Во-вторых, частицы, внедряемые в живые организмы, должны быть биосовместимыми (т.е. не вызывать реакции иммунной системы и не быть токсичными), что можно более эффективно достигнуть при использовании соответствующих полимерных молекул.
Величина магнитной восприимчивости магнитной жидкости повышается при увеличении размера магнитных частиц и их объёмной концентрации в суспензии. Размер частиц около 10 нм является оптимальным, так как это наибольший размер, при котором частицы ещё не слипаются из-за магнитного диполь-дипольного взаимодействия при комнатных температурах (слипанию частиц препятствует их тепловое движение).
Эффект притяжения магнитной жидкости к магниту широко используется в различных устройствах.
Сила магнитного притяжения, действующая на единичный объём магнитной жидкости, равна произведению её намагниченности на градиент магнитного поля и направлена вдоль этого градиента. Поэтому немагнитные тела легко всплывают в магнитной жидкости, находящейся в магнитном поле с градиентом вдоль направления силы тяжести. Это явление используют при создании сепараторов цветных металлов и других немагнитных материалов.
На рис. 3 показана схема установки для сепарации по плотности немагнитных веществ в магнитной жидкости.
Рис. 3. Схема установки для магнитожидкостной сепарации немагнитного материала по плотности: 1 – магнитная жидкость; 2 – сепаратор; 3 – постоянный магнит; 4 – магнитопровод; 5 – суппорт (ползун); 6 – контейнер для осажденного материала; 7 – контейнер для всплывшего материала
Два постоянных магнита установлены таким образом, что в вертикальном направлении расстояние между разноименными полюсами увеличивается. Когда разделяемые вещества помещают в сепаратор, они начинают двигаться вдоль направления, по которому напряженность магнитного поля снижается. Таким образом, с помощью неоднородного магнитного поля осуществляют седиментационное разделение веществ, т. е. сепарацию по плотности.
На основе использования магнитных жидкостей создаются различные системы герметизации, в частности, герметичные подшипники скольжения, а также подвижные вакуумные уплотнения, выдерживающие высокий перепад давлений.
На рис. 4 схематично показаны магнитожидкостные герметизаторы, применяемые в устройствах с вращающимися валами.
Рис. 4. Схемы магнитожидкостных герметизаторов: размещение магнитной жидкости между валом и полюсным наконечником (а) и насадкой на вал и полюсным наконечником (б); 1 – полюсные наконечники; 2 – постоянный магнит; 3 – магнитный поток; 4 – насадка на вал; 5 – магнитная жидкость
Обычно для герметизации вращающихся валов используются механические и масляные герметизаторы, назначение которых состоит в уменьшении утечки веществ (в особенности смазочных масел или газов). Герметизация валов с помощью магнитных жидкостей позволяет свести объем утечек практически к нулю, причем, как при неподвижном, так и при вращающемся вале.
На рис. 4, а изображена конструкция герметизатора, основу которой составляют два блока магнитных полюсов (полюсных наконечников), изготовленных в виде двух дисков из магнитного материала. Между полюсными наконечниками установлен постоянный кольцевой магнит, намагниченный в осевом направлении. Так как герметизируемый вал также изготовлен из магнитного материала, то образуется магнитная цепь, замыкающая магнитный поток (на рисунке обозначена стрелками). Один из полюсных наконечников имеет заостренную форму, и в зазоре между валом и заостренной кромкой наконечника напряженность магнитного поля возрастает. В этот зазор помещается магнитная жидкость, которая полностью его заполняет, втягиваясь в область сильного магнитного поля. В результате магнитная жидкость образует уплотнительное кольцо.
На рис. 4, б изображена конструкция герметизатора, которая по принципу действия аналогична показанной на рис. 4, а, однако для создания замкнутой магнитной цепи в случае, когда вал изготовлен из немагнитного материала, на него надевается насадка из магнитного материала.
Магнитожидкостные герметизаторы валов имеют следующие достоинства:
- высокую герметичность. Размеры промежутков между вращающимися и неподвижными частями имеют размеры молекул (например, при герметизации вакуумной камеры независимо от того, неподвижен вал или вращается, обеспечивается вакуум до 10~6 Па);
- отсутствие загрязнения объема частицами герметизирующего материала, а также отсутствие тепловыделения и сильных шумов, что обычно имеет место в механических герметизаторах при трении твердых тел;
- отсутствие необходимости обрабатывать контактирующие поверхности с высокой точностью, что является важным требованием в случае масляных и механических герметизаторов.
С использованием магнитных жидкостей связано создание демпферных устройств. На рис. 5 представлена схема демпфера с магнитной жидкостью, заполняющей цилиндр, в который вводится поршень, представляющий собой своеобразную обойму, состоящую из нескольких постоянных магнитов, выполненных в виде тонких круглых пластин, N- и S-полюса которых располагаются близко один к другому.
Рис. 5. Схема магнитожидкостного демпферного устройства: 1 – магнитная жидкость
Постоянные магниты поршня создают сильно неоднородное магнитное поле, которое воздействует на магнитную жидкость, окружающую поршень, и в результате ее эффективная вязкость сильно возрастает. Затем, при возвратно-поступательных (по вертикали) перемещениях поршня, внутреннее трение в магнитной жидкости, заполняющей пространство между поршнем и цилиндром, приводит к диссипации кинетической энергии внешних вибраций.
Магнитные жидкости могут применяться в гидравлических системах, в частности, для перекрытия канала или регулирования расхода, а также для перемены направления потока жидкой среды в трубопроводе. На рис. 6 изображена труба, разделенная на два канала, по одному из которых протекает рабочая жидкость.
Рис. 6. Магнитожидкостный двухходовой клапан: 1 – шаровидный клапан из магнитной жидкости; КО – канал открыт; КП – канал перекрыт
В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита введена и удерживается там магнитная жидкость, выполняющая роль перекрывающего клапана. Таким образом, один из каналов закрыт, и жидкость по нему не протекает. Очевидно, что с помощью магнита можно перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободив первый.
На рис. 7 изображена схема применения магнитной жидкости в качестве предохранительного клапана в трубопроводе.
Рис. 7. Магнитожидкостный предохранительный клапан: 1 – перекрытая клапаном жидкая среда; 2 – магнитная жидкость; 3 – электромагнит
Действие клапана основано на удержании магнитной жидкости в заданном участке трубы с помощью электромагнита, магнитное поле которого регулируется. Из-за того, что труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитожидкостным клапаном, удерживается только до достижения некоторого определенного уровня. Как только этот уровень превышается, клапан под действием силы тяжести открывается и удерживаемая им жидкость просачивается вниз.
На основе использования магнитных жидкостей можно создавать различные типы датчиков: датчики вращения, датчики угла наклона, датчики ускорения, датчики частоты вращения и др.
Принцип действия датчика вращения поясняется на рис. 8. Датчик выполнен в виде герметически закрытого цилиндра, в который залита магнитная жидкость. Когда цилиндр находится в покое, магнитная жидкость скапливается на дне. Когда же цилиндр вращается, магнитная жидкость под действием центробежной силы прижимается к его внутренней поверхности и образует на ней довольно толстый слой. При этом в непосредственной близости от магнитного датчика появляется магнитный материал и концентрируется магнитное поле. Магнитный датчик реагирует на магнитное поле и сигнализирует о вращении цилиндра.
Рис. 8. Центробежный датчик вращения объекта: а – состояние покоя; б – состояние вращения; 1 – магнитный датчик; 2 – магнитная жидкость
Принцип действия датчика угла наклона поясняется на рис. 9. Магнитная жидкость находится в U-образной трубке, на одном колене которой имеются первичная и вторичная обмотки, образующие дифференциальный трансформатор. Когда по первичной обмотке проходит переменный ток, во вторичной обмотке возникает переменное напряжение. Уровень магнитной жидкости достигает приблизительно половины высоты обмотки трансформатора. Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, зависит от взаимной индукции первичной и вторичной катушек: чем больше коэффициент взаимной индукции, тем выше напряжение. Когда контролируемая поверхность расположена горизонтально, уровни магнитной жидкости в обоих коленах трубки, служащей сердечником, одинаковы. Как только поверхность приобретает наклон, уровни жидкости меняются, причем изменение высоты столба магнитной жидкости на стороне трансформатора приводит к изменению взаимной индуктивности и, следовательно, к изменению напряжения во вторичной обмотке. По величине этого изменения можно определять угол наклона поверхности.
Рис. 9. Датчик угла наклона объекта: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – U-образная трубка; 4 – магнитная жидкость
Датчик ускорения (акселерометр) содержит первичную и вторичную обмотки, которые образуют дифференциальный трансформатор и охватывают трубку, наполненную магнитной жидкостью (рис. 10).
Рис. 10. Датчик ускорения объекта: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – ускорение под действием силы тяжести g ; 4 – магнитная жидкость; 5 – поверхность жидкости
Когда трубка находится в состоянии покоя или вращается с постоянной скоростью, то поверхность жидкости горизонтальна. Если же возникает ускорение а в направлении, перпендикулярном оси трубки, то поверхность наклоняется под углом Ө, причем
tg Ө = – a/g ,
где g – ускорение силы тяжести.
Таким образом, при ускоренном движении трубки положение свободной поверхности магнитной жидкости изменяется, что вызывает соответствующие изменения коэффициента взаимной индукции, а значит, и напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке.
Датчик частоты вращения по конструкции подобен датчику ускорения. Когда основной элемент конструкции – трубка – вращается, поверхность магнитной жидкости под действием центробежной силы становится вогнутой (рис. 11).
Рис. 11. Датчик частоты вращения объекта: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – вращающийся цилиндр; 4 – магнитная жидкость; 5 – поверхность жидкости
При этом коэффициент взаимной индукции также изменяется, а вместе с ним изменяется и электрическое напряжение во вторичной катушке. Как следствие, становится возможным контролировать скорость вращения трубки.
В электрических или магнитных полях магнитные жидкости становятся подобными одноосным кристаллам, проявляя анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптических свойств (двулучепреломление, дихроизм, анизотропия рассеяния). Эти эффекты связаны с ориентацией вдоль внешнего электрического или магнитного поля несферических частиц, а также с их выстраиванием в плотные цепочки, направленные вдоль поля. Величины электро- и магнитооптических эффектов в магнитных жидкостях на 6 порядков превосходят аналогичные величины в обычных жидкостях, поскольку объём наночастиц в 106 раз превышает объём молекул.
В скрещенных электрических и магнитных полях магнитные жидкости подобны двуосному кристаллу, в котором оптическую анизотропию можно изменять как по величине, так и по направлению. При определенном соотношении между электрическим и магнитным полями, направленными перпендикулярно друг к другу, наблюдается эффект компенсации оптической анизотропии. Этот эффект используют для визуализации и измерения электростатических полей (путем измерения компенсирующего магнитного поля). Кроме того, для визуализации магнитных полей можно использовать скрещенные поляроиды с помещённым между ними слоем магнитной жидкости. Магнитные жидкости применяют для визуализации доменных стенок в ферромагнетиках, а также для наблюдения скрытых дефектов в непрозрачных магнитных материалах.
Большие перспективы имеет применение магнитных жидкостей в медицине, в частности, для направленного транспорта лекарств, герметизации повреждённых участков внутренних органов, создания локальной гипертермии и т.д.