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, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.