Магнитные жидкости. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитные жидкости - ультрадисперсные устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодо-менных частиц, диспергированных в разл. жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. Магнитная проницаемость ц таких коллоидов достигает ~10, тогда как у обычных жидкостей

1. Намагниченность насыщения концентрированных М. ж. может достигать ~100 Гс (~100 кА/м) в магн. полях ~1 кЭ (~80 кА/м), при этом их вязкость может быть сравнима с вязкостью воды. Иногда М. ж. наз. относительно устойчивые суспензии магн. частиц размером ~0,1 -10 мкм, однако действительно стабильными являются именно ультрадисперсные коллоиды частиц диам. d₀~0,01 мкм.

Равновесное распределение концентрации коллоидных частиц в зависимости от высоты h в поле силы тяжести описывается барометрической формулой. Концептрация частиц экспоненциально убывает в

2,718 раз на характерной высоте

, где V₀ - ср. объём частиц,

- плотность твёрдой фазы - дисперсной среды,

- плотность жидкости - дисперсионной среды, g - ускорение силы тяжести. Обычно h₀~10 см при комнатной температуре (T=293 К) и при V₀~10^-18 см³, т. е. когда d₀~0,01 мкм (~10 нм). Для агрегативной устойяивости, т. е. для предотвращения слипания частиц, в коллоид вводят стабилизатор - поверхностно-активное вещество (ПАВ). Обычно ПАВ состоит из полярных органич. молекул длиной 1,5-2 нм, создающих на поверхности частиц адсорбционно-сольватные защитные слои, препятствующие сближению и слипанию частиц под действием межмолекулярных сил (близкодействующих сил притяжения). Одним из наиб. распространённых ПАВ является олеиновая к-та

, к-рая своей полярной "головкой" О^-Н⁺ притягивается к поверхности твёрдой фазы, образуя на ней плотный молекулярный слой толщиной

2 нм. В неполярыых дисперсионных средах (масло, керосин, додекан, октан и т. д.) гибкие неполярные концы ПАВ, сродственные жидкости-носителю, направлены от частицы к жидкости (рис. 1, а). Устойчивость диспергированных частиц в полярной жидкости, напр. в воде, обусловлена характерным расположением двух слоев ПАВ: сродственные полярной жидкости-носителю полярные "головки" второго слоя ПАВ направлены от частицы к жидкости (рис. 1, б).

Рис. 1,а - коллоидная частица в нсполярной жидкости с адсорбированным на ней слоем ПАВ - олеиновой кислоты; б - коллоидная частица в полярной жидкости (в воде), окружённая слоями олеиновой кислоты и олеата натрия, растворимого в воде.

Величина магн. восприимчивости М. ж. возрастает при увеличении размера магн. частиц и их объёмной концентрации С в коллоиде. Оказывается, что размер частиц d₀~10 нм оптимален потому, что это - наибольший размер, при к-ром частицы ещё не слипаются (не агрегируют) из-за магн. диполъ-диполъного взаимодействия при комнатных темп-pax (слипанию препятствует тепловое движение частиц). Действительно, обычно ср. магн. момент частиц

2*10^-16 Гс*см³, если их объём

0,5*10^-18 см³ и спонтанная намагниченность

0,5*10³ Гс. Поэтому ср. энергия магн. диполь-дипольного взаимодействия между соседними частицами

не превышает энергии их теплового движения ~kT при комнатной температуре, когда d₀~10 нм и ср. расстояние между центрами частиц

. Макс. концентрация С₀ магн. вещества в коллоиде зависит от отношения

и от распределения частиц по размерам. Если бы все частицы были одинаковыми шарами с диам. d₀, то при их плотной гексагональной или гранецентрированной кубической упаковке значение

составило бы

0,27 при d₀ = 10 нм и

- 2 нм. Обычно в М. ж. частицы имеют разные размеры и их можно упаковать более плотно. Концентрация магн. фазыв М. ж. может достигать более 0,3, но, как правило, у магн. коллоидов С

О,1-0,2, а вязкость близка к вязкости воды.

В качестве дисперсной среды обычно используют магнетит, железо, кобальт, ферриты-шпинели, а в качестве дисперсионной среды - воду, углеводородные и кремнийорганич. жидкости. Существуют М. ж. на основе вакуумного, трансформаторного, вазелинового масла и т. д. Для создания электропроводных М. ж. используют такие жидкости, как ртуть или эвтектич. сплав индий - галлий - олово (ингас), в к-рых диспергируют частицы Fe, Ni, Co, стабилизированные оловом, висмутом, литием. Наиб. распространены М. ж. на основе магнетита (Fe₃O₄), диспергированного в керосине и стабилизированного олеиновой к-той. При концентрации магнетита в коллоиде С

0,1-0,2 его намагниченность насыщения M_s

30-60 Гс,

5, а динамич. вязкость

10~² г*см^-1*с^-1 сравнима с вязкостью воды. Ниже рассмотрены осн. физ. свойства этой М. ж. функция распределения её частиц по размерам имеет колоколообразную форму со средней шириной ~10 нм. Столь малые частички при комнатной температуре движутся с тепловыми скоростями

~10² см*с^-1 и характерное время, за к-рое частичка изменяет направление движения, составляет

За это время частица перемещается на расстояние ~0,1 нм. Совершая быстрое хаотич. движение с "шагом" ~0,1 нм, частица медленно диффундирует, продвигаясь в среднем на расстояние

за время t, где - коэф. диффузии. За 1 мкс частица смещается на расстояние ~10 нм, т. е. на свой размер. Беспорядочное вращение частиц таково, что они поворачиваются на угол ~1 рад за время броуновского вращения

мкс при

10^-2 г*см^-1 *с^-1. Магн. момент малой частицы хаотически переориентируется относительно её кристалло-графич. направлений из-за тепловых флуктуации с характерным временем неелевской релаксации

, где

, К₁ - эффективная энергия магнитной анизотропии частицы (для магнетитовых коллоидных частиц К₁~10⁶ эрг*см³),

~10^-9 с - характерное время ларморовской прецессии магн. момента частицы. Такие частицы наз. суперпарамагнитными, т. к. их магн. момент, составляющий ~10⁴ атомных моментов, свободно флуктуирует, как в парамагнетике (см. Суперпарамагнетизм). Суперпарамагн. восприимчивость

в М. ж. при комнатной температуре в ~10⁴ раз превышает восприимчивость обычных жидкостей и описывается зависимостью

, или

, где М_s=480 Гс - спонтанная намагниченность магнетита,

200 К - парамагнитная температура Кюри, к-рая зависит от концентрации С. Восприимчивость

возрастает по Кюри - Вейса закону при понижении температуры Т, однако это увеличение происходит не беспредельно и при нек-рой температуре T_gнаблюдается резкий излом зависимости (особенно отчётливый в концентрированных М. ж. при низких частотах

и малых амплитудах Н перем. магн. поля). Излом размывается и смещается при увеличении частоты или амплитуды внеш. поля (рис. 2). Темп-pa излома зависимости

стремится к пост. величине при

Эта величина не связана с температурами затвердевания жидкостей-носителей, а зависит от концентрации С магн. вещества М. ж. Напр., значение Т_g возрастает от 200 до 330 К при увеличении С от 0,01 до 0,32 в М. ж. магнетит - керосин - олеиновая к-та.

Темп-pa T_g соответствует кооперативному магнитному фазовому переходу в системе взаимодействующих магн. диполей - однодоменных коллоидных частиц, к-рые при понижении температуры образуют хаотич. структуру из сложным образом перепутанных и разветвлённых дипольных цепочек. Такой структурированный коллоид является уже не жидким золем, а упругим гелем, хотя пределы упругости и прочности такого геля невелики. Так, при T>T_g M. ж. являются жидкими суперпарамагнетиками, а при Т<Т_g переходят в неупорядоченное гелеобразное состояние, называемое дипольным стеклом. Магн. свойства дипольных стёкол аналогичны магн. свойствам спиновых стёкол - обширному классу неупорядоченных твёрдых магнетиков (см. Аморфные магнетики).

Рис. 2. Температурные зависимости

восприимчивости магнитного коллоида на основе магнетита, керосина и олеиновой кислоты с С=0,2; а - при частоте

=5 Гц и амплитудах переменного магнитного поля: 0,03 Э (1); 0,03 Э (2); 3 Э (3); б - при амплитуде 0,03 Э и частотах: 5 Гц (1), 15 Гц (2), 175 Гц (3).

Релаксация намагниченности М (t)неупорядоченных магнетиков, в т. ч. и М. ж., не описывается экспоненциальной зависимостью от времени t с к--л. определ. временем релаксации

. В первом приближении Намагниченность релаксирует по закону

, где

~0,01 - 1 и зависит от температуры, величины и длительности намагничивания, а также от магн. предыстории, если T<T_g. Поэтому частотные зависимости действительной

и мнимой

частей комплексной магн. восприимчивости

не описываются простыми ф-лами Дебая:

при

В концентрир. М. ж. отношение

велико в широком диапазоне частот и слабо зависит от v, составляя ~10^-1-10^-2 при

~1 -10¹⁰ Гц даже в суперпарамагн. области температур. В области Т<Т_g это отношение вообще не убывает при

, по крайней мере до частот ~1 Гц. В связи с этим М. ж. сильно поглощают эл--магн. волны даже при низких по сравнению с

частотах, что связано с диполь-дипольным взаимодействием между однодоменными частицами в коллоиде.

В суперпарамагн. области кривая М(Н)намагничивания М. ж. хорошо описывается Ланжевена функцией , где , если учесть распределение частиц по размерам и усреднить по этому распределению. При H<100 Э, когда при комнатных темп-pax

, из зависимости

по наклону кривой М/Н можно определить величину ср. квадрата магн. момента коллоидных частиц. При H>10³ Э, когда

, можно определить величину ср. магн. момента частиц. Зная спонтанную намагниченность M_s частиц, можно определить их ср. объём

, значение к-рого обычно хорошо согласуется с данными электронной микроскопии.

Спонтанная намагниченность магнетика, из к-рого приготовлен коллоид, тоже зависит от температуры, и эта зависимость наиб. заметна вблизи Кюри точки Т_C этого магнетика. Нагревая М. ж. выше Т_с, можно существенно уменьшить её магн. восприимчивость, что лежит в основе явления термомагн. конвекции. Слои М. ж. с Т<T_с обладают большей магн. восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магн. поля, вытесняя более нагретые слои (с

Т>Тс). Так возникает термомагн. конвекция, к-рая по интенсивности может во много раз превосходить обычную гравитац. конвекцию, причём величину и направление этой конвекции можно изменять при помощи магн. поля. Термомагн. конвекцию можно использовать для увеличения теплообмена в силовых трансформаторах, применяя М. ж. на основе трансформаторного масла, а также в тепловых машинах (т. н. тепловых насосах), утилизирующих низкопотенц. тепло окружающей среды.

Притяжение М. ж. к магниту используется во мн. устройствах. Сила магн. притяжения, действующая на единичный объём М. ж., равна произведению её намагниченности на градиент магн. поля п направлена вдоль этого градиента. На 1 см³ стандартной М. ж. на основе магнетита с С=0,2 в поле H=3 кЭ при градиенте ~1 кЭ*см^-1 действует сила

0,05 кГ, т. е. сила, в 50 раз превышающая вес 1 см³ жидкости. Поэтому немагн. тела легко всплывают в М. ж., помещённой в магн. поле с градиентом вдоль направления силы тяжести. Это обстоятельство используют при создании сепараторов цветных металлов и др. немагн. материалов.

На основе М. ж. создают смазки, удерживаемые магн. полем в зоне контакта трущихся поверхностей, герметичные подшипники скольжения, подвижные вакуумные уплотнения, удерживающие перепад давлений в неск. атмосфер. М. ж. применяют в робототехнике, в переключающих устройствах и клапанах, управляемых магн. полем, а также в громкоговорителях для улучшения их амплитудно-частотной характеристики.

В электрич. или магн. полях М. ж. становятся подобными одноосным кристаллам. Они проявляют анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптич. свойств: двулучепреломление, дихроизм, анизотропию рассеяния. Эти эффекты связаны с ориентацией вдоль внеш. магн. поля Н пли электрич. поля Е несферич. коллоидных частиц, а также с их выстраиванием в плотные цепочки, направленные вдоль поля. Характерные значения электрич. и магн. полей, при к-рых становятся существенными ориентац. эффекты, можно оценить, приравнивая электростатич. или магнитостатич. энергии для частицы ср. размера к энергии её теплового движения:

или

. Отсюда можно получить

Э и

В*см^-1.

Величины электро- и магнитооптич. эффектов в М. ж. на 6 порядков превосходят аналогичные величины в обычных жидкостях, т. к. объём коллоидных частиц в 10⁶ раз превышает объём молекул. В скрещенных электрич. и магн. полях М. ж. подобны двуосному кристаллу, в к-ром оптическую анизотропию можно изменять как по величине, так и по направлению. При определ. соотношении между Н и 22, направленных перпендикулярно друг к другу, наблюдается эффект компенсации оптич. анизотропии. Это происходит при

3*10^-3 Э*В^-1 см. Эффект компенсации оптич. анизотропии используют для визуализации и измерения электростатич. полей (измеряют компенсирующие магн. поля). Для визуализации магн. полей можно использовать скрещенные поляроиды с помещённым между ними слоем М. ж. Магн. коллоиды используют для визуализации доменных стенок в ферромагнетиках, а также для наблюдения скрытых дефектов в непрозрачных магн. материалах.

Изучаются возможности применения М. ж. в медицине для направленного транспорта лекарств, герметизации повреждённых участков внутр. органов, создания локальной гипертермии и т. д.

Литература по магнитным жидкостями

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.