Магнитная жидкость: свойства, получение, применение

3.4 Зависимость вязкости магнитной жидкости от внешнего магнитного поля

 

Общее свойство коллоидных растворов  – увеличение их вязкости по сравнению  с вязкостью жидкой основы. Однако, изменение вязкости под действием магнитного поля – специфическое свойство магнитных жидкостей.

Для случая сферических  частиц Шлиомис получил следующее  соотношение:

(6)      

где m – магнитный момент коллоидной частицы, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, j - объёмная концентрация коллоидных частиц, a - угол между векторами вихря и напряженностью магнитного поля, h* - эффективная вязкость.

Марк-Тэг провёл следующие  экспериментальные исследования. Через  цилиндрическую трубу пропускалась магнитная жидкость и измерялась её вязкость (см. рис. 4). В первом случае, магнитное поле было направлено параллельно оси цилиндра. Тогда угол  a в формуле (6) всегда равен 90^o следовательно, sin²a=1. А в случае когда H перпендикулярно оси трубы угол a принимает все значения от 2p до 0,  т.е среднее значение sin²a=1/2.[2]

На рис. 5 представлены результаты экспериментальных исследований. В случае, когда магнитное поле ориентировано вдоль оси цилиндра, вязкость увеличивается сильнее.

Рис. 4 Взаимная ориентация векторов гидродинамического вихря при течении магнитной жидкости в цилиндрической трубе и внешнего магнитного поля

 

Рис. 5 Зависимость  динамической вязкости от напряженности  магнитного поля. 1 –поле параллельно  оси трубы; 2 – поле перпендикулярно  оси трубы.

 

4. Применение магнитной жидкости

 

Магнитные жидкости нашли применение во многих областях. Пятьдесят назад была запатентована оригинальная конструкция механической муфты — устройства для передачи вращения от одного вала к другому. Муфта содержала смесь железного порошка и масла. Под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим по катушке, жидкость «твердела», и тогда два вала начинали работать как единое целое. При отсутствии же поля крутящий момент не передавался. Однако вскоре в магнитной жидкости появлялись комки, поэтому такие муфты долго не находили применения.

Позже удалось создать устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок. [5]

4.1 Применения магнитной жидкости в механических устройствах

 

Наиболее распространённым техническим устройством с магнитной  жидкостью является магнитожидкостный  герметизатор. Это обуславливается  возможностью удерживать неоднородным магнитным полем объём магнитной жидкости, на которую действует сторонняя сила, в узком кольцевом зазоре между валом и корпусом машины. Так же магнитная жидкость может использоваться для улучшения акустических характеристик электродинамических громкоговорителей средней мощности.

Кроме того, устройства на основе магнитной жидкости (феррогидростатические сепараторы) используются для разделения смеси немагнитных материалов. Их действие основано на зависимости давления в магнитной жидкости от величины приложенного магнитного поля и её намагниченности. Смесь немагнитных частиц, различающихся по плотности, засыпают в магнитную жидкость и компенсируют  магнитным полем силу тяжести, постепенно изменяя величину его неоднородности. 

В гидростатических опорах и подшипниках скольжения используется зависимость давления магнитной жидкости от напряженности поля. В гидростатических опорах поддерживающая сила определяется конфигурацией и величиной магнитного поля в зазоре, и, конечно, свойствами самой магнитной жидкости. Подшипник на основе магнитной жидкости работает бесшумно вплоть до 10 000 об/мин и обладает практически нулевым начальным моментом трения.[4]

4.2 Применение магнитооптического эффекта

 

Магнитооптические эффекты возникают  при прохождении света через  тонкий слой магнитной жидкости при наложении магнитного поля. На их основе можно создать датчик магнитного поля – измеряя интенсивность прошедшего света через тонкую плёнку магнитной жидкости при воздействии магнитного поля неизвестной напряженности, можно определить значение напряженности поля. Под действием внешнего магнитного поля в слое магнитной жидкости происходит двойное лучепреломление. По мере увеличения напряженности измеряемого магнитного поля происходит рост интенсивности прошедшего света.

Так же возможно регулировать интенсивность пропущенного света с помощью прикладываемого магнитного поля – оптический затвор. Так же на эффекте двойного лучепреломления работает оптические стабилизатор – способен пропускать свет лишь с интенсивностью большей пороговой. В них для создания магнитного поля, которое будет регулировать способность магнитной жидкости пропускать свет, используется фотоэлемент. [2]

 

4.3 Применение магнитных жидкостей в медицине

 

Магнитные жидкости находят своё 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 поражённого участка, не нанося вреда всему организму.

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. [5]

4.4 Очистка сточных вод

 

В основе процесса лежит принцип омагничивания нефтепродуктов путем добавления магнитной жидкости в сточные воды и последующего отделения омагниченных нефтепродуктов специальными магнитными системами. Максимальное содержание нефтепродуктов в сточных водах после промывки нефтеналивных судов, которые можно сливать в море, составляет 15мг/дм³. После очистных установок, использующих магнитные жидкости на основе керосина, содержание нефтепродуктов в трюмной воде не превышает 5мг/дм³. Для очистки 1м³ воды средней загрязненности (300 мг/дм³) требуется ~ 300см³ разбавленной магнитной жидкости (~ 8 кА/м). Для удаления тонких пленок нефти с поверхности воды над загрязненным участком распыляется магнитная жидкость на основе керосина, затем ее собирают с помощью аппарата, в котором установлен постоянный магнит. [6]

Заключение

 

В данной работе были рассмотрены  свойства, методы получения и области применения магнитных жидкостей. Основной трудностью при изготовлении является стабилизация коллоидных частиц в растворе. Данная проблема успешно решается с помощью поверхностно-активных веществ.  Возможность управления свойствами магнитной жидкости посредством магнитного поля обусловила её широкое применение в механических (гермитизаторы, подшипники) и оптических (оптические стабилизаторы и затворы, датчики магнитного поля) устройствах.  Немаловажным является возможность применения магнитной жидкости в медицине – доставка лекарственных препаратов, использование в качестве рентгеноконтрастного вещества.

 

Список литературы

 

1. http://mrsec.wisc.edu/Edetc/background/ferrofluid/index.html
2. С. Такетоми, С. Тикадзуми «Магнитные жидкости» перевод с японского М.К. Овечкина и А.Д. Мицкевича под редакцией В.Е. Фертмана, изд. «Мир» 1993
3. М.И. Шлиомис, Магнитные жидкости стр. 428-429
4. В.Е. Фертман «Магнитные жидкости», Справочное пособие,  изд. «Минск Вышэйшая школа», 1988
5. Журнал «Наука и жизнь» №11, 2002 год И. Сенатская, Ф. Байбуртский, «Магнитная жидкость»
6. «Успехи современного естествознания» Контарев А.В., Стадник С.В., Лешуков В.А. Применение магнитных жидкостей, стр. 67