Средства управления магнитными жидкостями

Когда агрегирование затрагивает большое число частиц, Джордан, используя матричный метод вычисления, показал, что и в случае малой концентрации магнитных частиц при приложении внешнего магнитного поля происходит агрегирование частиц с образованием цепочек или линейных кластеров, поскольку именно такой процесс требует наименьших энергетических затрат.

3.3 Модель капельных агрегатов в МЖ

В работе Ю.Н. Cкибина указано, что усложнение модели магнитной жидкости связано с наблюдаемыми экспериментальными явлениями коалесценции и коацервации при увеличении концентрации твердых частиц и ПАВ в растворе. В МЖ микрокапельные агрегаты при малых полях не видны в оптический микроскоп, но при напряженности магнитного поля порядка 8 кА/м в поле зрения появляются тонкие цепи из множества частиц, которые после выключения поля распадаются на множество мелких капелек, которые в свою очередь очень быстро растворяются. При включении поля капли концентрированной МЖ сливаются и деформируются, вытягиваясь вдоль поля.

Впервые В.В. Чеканов в работе предложил рассматривать возникновение агрегатов в магнитных коллоидах как фазовый переход дипольный газ - жидкость. Эта идея оказалась плодотворной и представления об образовании микрокапельных агрегатов получили развитие в целом ряде работ. Так, в работе Сано и Дюи рассматривают коллоидные частицы в МЖ как молекулы газа, причем влиянием на них молекул основы пренебрегается. Состояние, когда частицы существуют в основе по отдельности, рассматривается как газ; если же частицы объединились в агрегаты, то такое состояние приравнивается к жидкой фазе.

В результате действия магнитного поля взаимодействие между частицами магнитного материала возрастает так сильно, что флуктуации концентрации приводят к спонтанному разделению коллоида на фазы с разными концентрациями частиц. Теория фазовых переходов в магнитных коллоидах получила развитие в работах А.Ю. Зубарева с сотрудниками. В работе показано, что зародышами для образования агрегатов являются наиболее крупные частицы. В работе предложена модель равновесного фазового перехода “газ-жидкость ” в ансамбле парамагнитных частиц с учетом образования линейных цепочечных кластеров. Недавно высказана гипотеза, что в коллоидных системах могут возникать рыхлые квазиферрические агрегаты, известные как “фрактальные кластеры”. Их главная особенность заключается в том, что концентрация агрегированных частиц меняется по степенному закону в зависимости от расстояния r до формального центра кластера:

,

где d_f - называется фрактальной размерностью. В МЖ такие объекты могут образовываться за счет действия молекулярных сил, аналогично классическому механизму коагуляции коллоидов.

По отношению к реальным МЖ на практике используются все вышеперечисленные модели в зависимости от задач, стоящих перед исследователями. Это связано с тем, что применение магнитных жидкостей имеет очень широкий спектр, который часто требует иногда взаимоисключающих свойств МЖ: в одних случаях требуется отсутствие в МЖ агрегатов частиц, а в других - наличие таких агрегатов является обязательным условием функционирования МЖ в конкретных условиях, например, в дефектоскопии или визуализации магнитной записи. Поэтому вполне закономерен интерес исследователей к оптическим методам изучения коллоидных систем как наиболее чувствительным и информативным методам диагностики МЖ и вообще исследованию МЖ как объекта.

4. Применение магнитных жидкостей

Интерес к магнитным жидкостям, естественно, объясняется не только научными причинами. Эти уникальные материалы имеют очень широкие возможности практического использования.

Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитожидкостные герметизаторы, подшипники и смазочные узлы. Принципиальная схема цилиндрического уплотняющего узла с магнитной жидкостью показана на рис. 7.

Действие устройства основывается на образовании и удержании кольцевого слоя магнитной жидкости на вращающемся или аксиально перемещающемся валу в зоне сильного магнитного поля, формируемой постоянными магнитам и ферромагнитными концентраторами поля. Продольный перепад удерживаемого давления определяется средней намагниченностью жидкости и напряженностью магнитного поля в межполюсном зазоре.

Одна ступень герметизатора способна выдержать перепад давления порядка 0,3--0,5 атм. Для повышения удерживающего давления герметизаторы делаются многоступенчатыми. При оптимальной геометрии системы магнитов и магнитопровода удается обеспечить условия, при которых суммарное удерживающее давление пропорционально количеству ступеней.

Рисунок 7

Магнитожидкостные герметизаторы имеют ряд важных преимуществ перед известными уплотнительными устройствами. Это, прежде всего, малый момент трения, самовосстановление уплотняющей способности при прорыве, отсутствие износа (при использовании малоиспаряющихся жидкостей-носителей) и возможность подпитки уплотняющего кольца жидкости без разбора конструкции узла. К недостаткам относятся сравнительно малое удерживаемое давление и невысокая рабочая температура (не выше 100--130°С), а также нагревание жидкости при высоких скоростях вращения вала и трудность герметизации жидкостей в многоступенчатых уплотнителях.

Магнитожидкостные уплотнители широко используются в вакуумной технике применительно к задачам космической техники и полупроводниковой технологии. Американская компания «Ferrofluidic Corporation» сообщает, в частности, о создании установок для выращивания сверхчистых монокристаллов кремния и арсенида галлия. Имеются сведения об успешном применении магнитожидкостных герметизаторов в уплотнении реакторов для биохимической технологии.

Уплотняющие слои магнитных жидкостей могут выполнять одновременно и функции жидких подшипников.

Силы магнитной левитации способствуют удерживанию вращающегося вала в центральном симметричном положении, а также стабилизируют жидкостные системы торцевого подвеса вращающихся или линейно перемещающихся узлов. Использование магнитных жидкостей на основе смазочных масел и специальных поверхностно-активных веществ обеспечивает одновременно эффективную смазку трущихся поверхностей. В технической литературе имеются сведения о создании магнитожидкостных подшипников самого различного назначения. В частности, оборудование заводов текстильной промышленности шпинделями с магнитной жидкостью существенно понижает уровень шума в производственных помещениях. Компания «Ferrofluidic Corporation» широко рекламирует высококачественные блоки с твердыми дисками памяти для современных вычислительных машин. Имеются сведения об использовании магнитожидкостных уплотнителей и смазочных узлов в робототехнике, в газовых лазерах, в устройствах с волоконной оптикой и др.

Левитация намагниченных тел в магнитной жидкости используется для создания различных демпферов колебаний, например, инерционных систем стабилизации ротационного движения. Вращающийся вал соединен с замкнутым объемом стабилизатора, в котором благодаря силе магнитной левитации подвешена инерционная масса -- цилиндрический постоянный магнит. Зазор между поверхностями корпуса и инерционного тела весьма узок, и магнитная жидкость в нем выполняет функции подшипника и демпфера. В равновесном режиме инерционная масса вращается синхронно с валом. При изменении скорости вращения вала в слое магнитной жидкости за счет инерции подвешенной массы возникает момент трения, направленный на восстановление прежней скорости. Инерционная масса способствует также сглаживанию, переходных процессов пуска и остановки двигателя. Аналогичные устройства используются для борьбы с резонансными колебаниями исполнительных механизмов с шаговыми двигателями, в двухкоординатных самописцах и др.

Целый набор положительных эффектов возникает при использовании магнитных жидкостей в электродинамических головках громкоговорителей (рис. 8). Жидкость заполняет магнитный зазор, в котором размещена катушка акустического элемента. Так как магнитное поле в зазоре достигает индукции ~15--20 кГс, жидкость в нем надежно удерживается даже при больших амплитудах колебаний акустического элемента. За счет сил магнитной левитации обеспечивается центровка катушки в зазоре. Кроме того, демпфирующее действие вязкости магнитной жидкости способствует подавлению основного и дополнительных пиков резонанса, а также снижает фазовые искажения сигнала. Это обстоятельство особенно важно в высокочастотных громкоговорителях, в которых затруднена борьба с резонансными явлениями радиотехническими способами. Магнитная жидкость заметно сокращает время релаксации переходных процессов и снижает искажения сигнала при ударном возбуждении. Все это заметно повышает качество воспроизведения звука.

Рисунок 8

Однако главный положительный эффект, достигаемый погружением катушки акустического элемента в магнитную жидкость, связан с существенным улучшением условий охлаждения катушки. При работе громкоговорителя в катушке выделяется большое количество джоулева тепла. Это тепло передается массивному магнитопроводу динамика посредством теплопроводности через слой среды, заполняющей зазор. Так как коэффициент теплопроводности воздуха весьма низок, катушка сильно нагревается. Коэффициент же теплопроводности магнитной жидкости в 5--7 раз больше, поэтому она заметно снижает тепловое сопротивление зазора, и температура катушки сильно понижается. Следовательно, магнитная жидкость в зазоре позволяет значительно повысить акустическую мощность громкоговорителя без превышения допустимой температуры катушки.

Динамики с магнитожидкостным заполнением акустического зазора выпускают многие ведущие компании мира. Сперва выпускались высокочастотные громкоговорители, в последнее время разработаны широкополосные динамики с магнитной жидкостью для мощных акустических систем автомобильных радиоприемников и магнитофонов. В СССР пионером применения магнитных жидкостей в громкоговорителях среднечастотного диапазона является латвийская фирма «Radiotehnika».

Магнитные жидкости получили широкое применение в различных измерительных устройствах. В них используется магнитная левитация в сочетании с демпфирующей способностью жидкости. Часто детектирование сигнала основано на магнитных свойствах коллоида. Характерным примером является магнитожидкостный акселерометр, принципиальная схема которого показана на рис. 9. Чувствительный элемент прибора представляет собой тонкий цилиндр, в котором свободно плавает инерционная масса -- цилиндрический же аксиально намагниченный постоянный магнит. В состоянии покоя или при равномерном движении в направлении оси цилиндра сила магнитной левитации удерживает магнит в центральном симметричном положении. При ускорении инерционная масса смещается в направлении, противоположном вектору ускорения. Это смещение регистрируется приемными катушками датчика. Наиболее удобным является компенсационный способ измерений, по величине силы тока в катушках, удерживающего инерционную массу в центральном симметричном положении. Используя три взаимно перпендикулярно ориентированных датчика, можно измерить пространственные координаты вектора ускорения. Отметим, что датчик, изображенный на рис. 3, может быть использован для создания электрического уровнемера, в котором заинтересованы, например, средства морского транспорта, научные лаборатории океанографических исследований для измерения интенсивности волнения моря и др.

Рисунок 9

В научно-технической литературе описано множество магнитожидкостных устройств для измерения давления, расхода, газов и жидкостей, электрического тока, плотности твердых тел, вязкости жидкостей. Созданы приборы неразрушающего контроля качества изделий. Например, путем измерения собственного поля магнитной жидкости, заполняющей пустоты в массивном теле, можно контролировать точность диаметра и геометрического места сверлений в различных деталях. Магнитные жидкости используются также для улучшения акустического контакта между излучателем и деталью в ультразвуковой дефектоскопии. На основе магнитооптических эффектов в коллоидах разработаны методы изучения топографии микронеоднородностей магнитного поля. Достигнута высокая разрешающая способность методов визуализации топографии магнитного поля для анализа качества записи видеосигналов.

Известны многочисленные работы по созданию, печатающих устройств с магнитными чернилами. В одних случаях печатание осуществляется управлением траектории струйки магнитной жидкости полем, в других -- развитием электростатических неустойчивостей в слое магнитных чернил в импульсном электрическом поле. На рис. 10 показан образец шрифта печатающего устройства, разработанного японской компанией «Matsushita Electric». Достигнута чрезвычайно высокая скорость печатания и хорошая разрешающая способность шрифта (~6--8 линий на 1 мм). Сообщается о возможности печатания цветных изображений. Реальное применение этой разработки требует решения ряда технологических вопросов, связанных с устойчивостью магнитных чернил в неоднородном магнитном поле.

Рисунок 10

Известны разработки по применению магнитных жидкостей в технологических целях. Например, созданы магнитожидкостные сепараторы для разделения минералов и вторичного сырья. Действие этих устройств основывается на зависимости давления в магнитной жидкости от напряженности внешнего поля. Повышая градиент намагничивающего поля, можно заставить всплывать в магнитной жидкости включения с плотностью, значительно превышающей плотность жидкости. Широкое применение магнитных сепараторов в промышленности ограничивает стоимость магнитной жидкости, так как пока не удается обеспечить ее полную регенерацию в технологическом процессе.

Известны и другие предложения технологического использования магнитных жидкостей, например, в нефтеперерабатывающей промышленности, для очистки воды от загрязнений нефтепродуктами.

Существуют практические предложения, основанные на использовании термомагнитной конвекции. Заманчивы термомагнитные системы охлаждения тепловыделяющих элементов, особенно в случаях, когда соответствующий аппарат или устройство имеет источники магнитного поля. В литературе описаны термосифоны, в которых теплоотвод регулируется магнитным полем. Магнитные жидкости могут использоваться для охлаждения силовых электрических кабелей, анодов мощных магнетронов, обмоток статоров электрических машин. Имеются и более смелые идеи, например, по созданию термомагнитных жидкостных систем охлаждения будущих термоядерных реакторов. Однако для их осуществления нужны новые магнитные жидкости с высокими значениями пиромагнитного коэффициента, способные работать при повышенных температурах. Пока в этом направлении достигнуты лишь первые, отнюдь не решающие успехи. По этой причине практически не реализована одна из наиболее интересных идей, выдвинутая на заре развития феррогидродинамики, -- создание компактных и простых термомагнитных генераторов электроэнергии.

Если говорить о перспективных работах, следует упомянуть и заманчивые предложения применить магнитные жидкости в медицине. Уже двадцать лет тому назад американский нейрохирург Дж. Алксне предложил использовать магнитные суспензии для тромбирования артериальных аневризм головного мозга. Сущность предложения состоит в том, что суспензия, содержащая связующие компоненты, удерживается в аневризме внешним магнитным полем до образования устойчивого тромба и полимеризации связующего вещества. Это уменьшает вероятность тромбирования кровеносных сосудов, вызванного уносом суспензии из аневризмы в начальной стадии лечения. Метод внедрен в клиническую практику.

В Институте медицинской радиологии АМН СССР разработано и апробировано магнитное рентгеноконтрастное вещество для диагностики заболеваний органов пищеварительного тракта. Возможность управления местоположением этого препарата внешним магнитным полем позволяет обследовать труднодоступные места кишечника, равно как дает возможность провести динамические исследования подвижности внутренних органов, что важно, в частности, в диагностике раковых заболеваний.

Примерно десять лет тому назад возникла идея магнитного транспорта лекарственных препаратов. Во многих лабораториях созданы магнитные жидкости на базе лечебных препаратов, доказана возможность их магнитной локализации в организме. Созданы также магнитные микроносители -- полимерные микросферы и микрокапсулы, липосомы, в которых включены лекарственные препараты. Имеются также сведения о придании магнитных свойств природным клеткам (магнитные лимфоциты и тени эритроцитов), которые могут быть использованы для направленного транспорта лекарств. Получены положительные результаты в локализации противораковых, сосудорасширяющих и тромборастворяющих препаратов. В экспериментах in vivo продемонстрирована возможность магнитной локализации паралитического действия курареподобных препаратов. Указанные исследования, однако, еще не завершены, до клинического применения магнитного транспорта лекарств еще долгий путь обширных и всесторонних медицинских исследований.

Электронные устройства.

Ферромагнитные жидкости используются 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 20 до 30 кПа), но такие уплотнители не очень годятся для узлов с поступательным движением (например, поршней), так как жидкость механически вытягивается из зазора.

Ферромагнитная жидкость также 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. Нанесенная 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 жесткой или более мягкой.

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.

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.

Ведется 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 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 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.

Заключение

Во второй половине прошлого века были синтезированы коллоидные растворы магнитных материалов, которые впоследствии получили название «магнитные жидкости (Magnetic fluids)». Магнитные жидкости (МЖ) - ультрадисперсные (со средним диаметром нм) устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. В качестве дисперсной фазы используют малые частицы таких металлов как железо, кобальт, никель, гадолиний, их разнообразные ферриты, ферромагнитные окислы. Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного диполь-дипольного и ван-дер-ваальсовского взаимодействий и последующего укрупнения частиц, в качестве стабилизаторов применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ) типа олеиновой кислоты. Адсорбируясь на поверхности микрокристаллических дисперсных частиц ПАВ образуют защитную оболочку, представляющую из себя своеобразный структурно-механический барьер. Вследствие малого размера частиц МЖ она не расслаивается, и сохраняют свою однородность практически неограниченное время.

Исследование таких жидкостей имеют большое теоретическое значение, так как связаны с решением фундаментальных физико-химических проблем, а также практическое значение, так как способствуют их применению в машиностроении, электронике, медицине, космической технике и т.д. Разработка устройств с применением МЖ основанные на взаимодействии их с внешним магнитным полем, воздействующим на внутреннюю структуру коллоидной системы. Поэтому наряду с разработкой новых применений МЖ ведутся теоретические и экспериментальные исследования их физических и физико-химических характеристик, которые, в свою очередь, определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием во внешних полях. Научные достижения в этой области стали возможны за счет комплексного подхода с применением классических методов статистической термодинамики, молекулярной оптики, физики магнитных явлений, физической химии, механики сплошных сред.

Существенный вклад в экспериментальное изучение физических свойств МЖ вносят оптические методы (двойное лучепреломление, дихроизм, рассеяние света и т.д.)

Весьма актуальными являются задачи исследования оптическими методами межчастичных взаимодействий, ориентационных эффектов, развивающихся в МЖ под действием электрического и магнитного полей.

По данным электронной микроскопии, размер однодоменных частиц магнетита в магнитной жидкости ~ 100 . Эксперименты по двойному лучепреломлению в магнитной жидкости в магнитных и электрических полях дают значительно большие размеры частиц. Задача данной экспериментальной работы по светорассеянию состоит в определении размеров наблюдаемых частиц и построении простейшей модели образования кластеров частиц, состоящих из 100 частиц. Предварительные исследования кинетики спада двулучепреломления (ДЛП) в магнитной жидкости на основе Fe₃O₄ показывают, что кластеры состоят из 3-15 частиц. Модельно такие кластеры пока представляются эллипсоидами вращения.

Список литературы

1. А.П. Красавин, Н.М. Веснин. - Проблемы борьбы с аварийными нефтяными разливами нефти. - Топливно-энергетический комплекс. № 3, 2000, с. 102-103.

2. Чубарь Т.В., Овчареню Ф.Д., Высоцкая В.Я. // Коллоид, журн. 1979. T. 4, N 1. С. 196-199.

3. Пастушенко О.Н., Шкловашя Н.И. // Журн. физ. химик 1993. Т. 67, N 10. С. 2073-2077.

4. А. с. 516861 СССР, Ферромагнитная жидкость для магнитожидкостных уплотнений / Д.В. Орлов, В.Г. Курбатов, В.А. Силаев, А.В. Сизов.

5. Чеканов В.В. Возникновение агрегатов как фазовый переход в магнитных коллоидах / В кн.: физические свойства магнитных жидкостей. - Свердловск. - 1983. - C. 42-49.

6. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // Успехи физических наук. - 1974. - Т. 112. - С. 427-458.

7. Цеберс А.О. Образование и свойства крупных конгломератов магнитных частиц // Магнитная гидродинамика. - 1983. - №3. - С. 3-11.

8. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия. - Т. 2. 1990. - С. 673-675.

Размещено на Allbest.ru