для чего нужна ферромагнитная жидкость

Применение ферромагнитной жидкости

Электронные устройства. Используются во многих динамиках для высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг голосовой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

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.

Преобразование энергии колебательного движения в электрическую. Устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью. Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Подобное устройство может снабжать энергией миниатюрный радиоприёмник или электронные часы. Оно способно преобразовывать удары капель дождя по крыше в электрический ток и получать таким образом даровую энергию

Магнитная сепарация руд

Неоднородное магнитное поле приводит к уплотнению магнитной жидкости, вследствие чего всплывают немагнитные частицы высокой плотности — медные, свинцовые, золотые. Поскольку неоднородность магнитного поля легко изменять в широких пределах, можно заставить плавать частицы определённой плотности.

Ферромагнитная жидкость способна снижать трение. 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 ферромагнитные жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой.

ВВС США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.

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.

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.

Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью 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 голосовой 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 с голосовой 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. [3]

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.

В настоящее время ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления и диагностики опухолей. Феромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль.

Коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов.

Ферромагнитные жидкости представляют сбой необычный вид материи, которая может присутствовать в двух состояниях жидком и твердом. Магнитная жидкость «управляется» в помощью магнита Ферромагнитные жидкости очень полезны и применятся во многих отраслях

Источник

15 интересных фактов о магнитных жидкостях

Здесь мы рассмотрим, что они из себя представляют, как они работают.

Что такое магнитная жидкость?

Магнитные жидкости, согласно науке являются:

«Коллоидные системы, состоящие из однодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе, являются удобными модельными системами для исследования фундаментальных свойств магнитных наночастичных систем.»

Эти жидкости, как правило, остаются в жидком состоянии, даже когда они контролируются, перемещаются или кинетически взаимодействуют с магнитным полем.

Традиционные методы приготовления магнитных жидкостей включают длительное измельчение магнитного материала стальными шариками в течение нескольких недель в среде-носителе, содержащей диспергирующий агент.

В этих методах измельчения олеиновую кислоту обычно использовали для стабилизации дисперсий в керосине и других углеводородных дисперсионных средах.

Один из примеров называется феррофлюид или ферромагнитная жидкость. Эта магнитная жидкость становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля и была впервые разработана НАСА в начале 1960-х годов.

Он был разработан для поиска способа перемещения жидкого ракетного топлива на входе насоса в условиях низкой гравитации или невесомости.

Магнитные жидкости, например, феррожидкости, как правило, состоят из наноразмерных частиц, каждая из которых обычно покрывается поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их скопление. Феррожидкости обычно теряют индуцированный магнетизм при удалении из внешнего магнитного поля.

По этой причине они классифицируются как «суперпарамагниты».

Однако в 2019 году команде исследователей из Массачусетского университета и Пекинского университета химических технологий удалось создать магнитную жидкость, которая может оставаться постоянно намагниченной. Этот прорыв бросил вызов устоявшейся вере в то, что только плотные твердые частицы с фиксированной формой способны на это свойство.

Как работают ферромагнитные жидкости?

Феррожидкости, как мы видели, содержат мельчайшие частицы окиси железа. Когда магнит притягивается близко к жидкости, эти частицы притягиваются к ней.

Это обычно приводит к тому, что жидкость создает удивительные выглядящие иглы или шипы. Причина этого кроется в сложном взаимодействии различных сил.

Частицы оксида железа притягиваются к магнитному полю, а также само магнитное поле притягивается к жидкости.

Частицы и масло работают вместе как единое целое благодаря наличию поверхностно-активного вещества. Один конец поверхностно-активного вещества плотно прилегает к частицам оксида железа, а другой также удерживает масло.

Из-за этого феррожидкость в целом направляется в концентрированные колонны.

В то же время сила тяжести пытается оттянуть колонны вниз, в то время как поверхностное натяжение масла заставляет каждую колонку тянуть себя, создавая характерные иглы жидкости.

Вы можете прикоснуться к феррожидкости?

Конечно, можете, но это не рекомендуется. Феррожидкость считается основным раздражителем кожи.

Как только Вы касаетесь феррожидкости пальцем, жидкость быстро начинает перемещаться вверх по гребням пальца и вокруг ногтя.

Это не только выглядит неприглядно, но и может и будет раздражать вашу кожу. Она также может надолго оставить на коже пятно.

15 фактов о магнитных жидкостях

Итак, без лишних слов, вот 15 фактов о чудесных материалах, которые являются магнитными жидкостями. Этот список далеко не исчерпывающий и не имеет определенного порядка.

1. Магнитные жидкости, а именно феррожидкости, были разработаны в 1960-х годах Стивом Папелем из НАСА, чтобы помочь перемещать ракетное топливо в условиях микрогравитации.

2. Когда эти жидкости подвергаются воздействию магнитного поля, они имеют тенденцию образовывать характерные шипы или иголки.

3. Большинство магнитных жидкостей не остаются намагниченными в отсутствие внешнего магнитного поля.

4. Феррожидкости обладают сильной окрашивающей способностью и могут окрашивать кожу, стекло и даже керамические поверхности.

5. Настоящая феррожидкость остается стабильной в течение длительного периода времени. Это происходит потому, что содержащиеся в них твердые частицы не агломерируются и не отделяются под действием силы тяжести.

6. Феррожидкости в настоящее время исследуются для лечения опухолей. Идея состоит в том, чтобы ввести их в опухоль и разорвать их на части с помощью магнитных полей.

7. Есть надежда, что магнитные жидкости могут помочь в разработке умных жидкостей в будущем. Такие жидкости могут изменять состояние между твердым и жидким по команде.

8. Некоторые феррожидкости были использованы в системах подвески автомобилей. Изменяя электрический ток через них, жидкость регулирует жесткость подвески в зависимости от условий вождения.

9. Магнитные жидкости становятся все более популярными в качестве художественной среды. В некоторых художественных и научных музеях есть специальные экспонаты, посвященные этим удивительным жидкостям.

10. Возможно, Вы также заметили феррожидкости более чем в нескольких музыкальных клипах. Например, группа Pendulum использовала феррожидкость для музыкального клипа к треку «Акварель».

11. Типичная феррожидкость состоит из 5% магнитных твердых тел, 10% поверхностно-активных веществ и 85% несущей жидкости.

12. Поверхностно-активные вещества имеют жизненно важное значение для феррожидкостей, поскольку они снижают поверхностное натяжение между жидкими и твердыми компонентами. Обычно для этой цели используют олеиновую кислоту, гидроксид тетраметиламмония, лимонную кислоту или соевый лецитин.

13. НАСА также экспериментировало с текучими железными жидкостями в замкнутом контуре с электромагнитами в качестве системы контроля высоты.

14. Магнитные жидкости, такие как феррожидкости, сегодня используются в различных технологиях. Применяются в громкоговорителях, компьютерных жестких дисках, двигателях с вращающимся валом и в качестве контрастного вещества для МРТ.

15. Феррожидкости не следует путать с магнитореологическими жидкостями. Последний состоит из частиц микрометрового масштаба, которые со временем осядут под действием силы тяжести.

Источник

Получение и применение ферромагнитной жидкости

Веклич А.В,
Ерушевич Д.А,
Борисов Р.А,
Рачек В.Б.
Институт инженерной физики и радиоэлектроники СФУ
660074, Красноярск, ул. Киренского 26.
E-mail: veklich95@mail.ru

В данной статье рассматриваются способ получения ферромагнитной жидкости, спектр ее применения на производстве.

Ключевые слова: Ферромагнитная жидкость, феррофаза.

This article discusses a method for producing a ferromagnetic fluid, the spectrum of its application in the workplace.

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Для обеспечения устойчивости ФЖ частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил. Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «супермагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости. Ферриты-химические соединения оксида железа Fe₂O₃ c оксидами других металлов.

Рассмотрим принцип получения ферромагнитной жидкости.

Выделим основные задачи:

1) получить высокодисперсные частицы феррофазы;

2) стабилизировать их в жидкости-носителе.

Для получения МЖ в химической лаборатории использовался метод конденсации высокодисперсного магнетита, в основе которого лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде: FeSO₄*7H₂O + 2FeCl₃*6H₂O + 8NH₃*H₂O → Fe₃O₄ + 6NH₄Cl + (NH)₂SO₄ + 20H₂O

Реактивы: FeSO₄*7H₂O; FeCl₃*6H₂O; 25%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода, мыло.

Предложенные для проведения эксперимента массы веществ были уменьшены в четыре раза.

1. В дистиллированной воде растворить FeSO₄*7H₂O и FeCl₃*6H₂O ( при слабом подогреве и несильном помешивании).

2. Полученный раствор отфильтровать в другую колбу для отделения от механических примесей.

3. Залить в чистую колбу 25%-ный раствор аммиака.

4. Тонкой струей влить отфильтрованный раствор в колбу с «аммиачной водой» при интенсивном помешивании. Коричнево-оранжевый раствор мгновенно превращается в суспензию черного цвета.

5. Долить к получившемуся раствору немного воды и поставить колбу с образовавшейся смесью на магнит на 30 мин.

6. После выпадения частиц магнетита на дно колбы (под действием сил магнитного поля), крайне осторожно слить около 2/3 раствора, придерживая осадок магнитом. Снова залить дистиллированную воду в колбу, в таком же количестве, и хорошо перемешивая раствор. Поставить колбу на магнит. Повторять эти действия до тех пор, пока pH сливного раствора не станет нейтрален.

7. Получившуюся суспензию отфильтровать и собрать осадок.

8. Осадок смешать с заранее полученным ПАВ.

9. Нагревать полученную смесь в течение часа (t=80˚C), хорошо перемешивая.

10. Охладить полученную смесь до комнатной температуры. Добавить дистиллированной воды и тщательно размешать.

Разведенную в воде смесь поставить на магнит на несколько часов, после чего ферромагнитная жидкость готова.

Магнитные жидкости (MЖ) — это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекyчими магнитoуправляемыми свойствами с широкими перспективам применения в технике, медицине, экологии. MЖ обладает всеми преимуществами жидкого материала — малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость МЖ позволяет удерживать ее в нужном месте устройства под действием магнитного поля. Сейчас для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую. Рассмотрено некоторые наиболее интересные и перспективные области применения магнитной жидкости.

Сформируем вывод о проделанной работе.

Магнитные жидкости, обладают, огромным потенциалом и несут в себе, если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений.

Список литературы

Источник

“Волшебная” жидкость Стива Папелла: от проектов NASA к жидкостному охлаждению динамиков

Среди изобретений, применяемых в современной электроакустике, особый интерес представляет ферромагнитная жидкость. Сегодня на YouTube можно увидеть немало красивых фокусов с ее использованием, но дело даже не в этом. Появление этой жидкости было напрямую связано с разработкой космической техники.

История создания и отказ от использования

Ферромагнитную жидкость создал американский ученый Стив Папелл более 50 лет назад. В то время Папелл работал инженером в NASA и участвовал в разработке двигателей для космических аппаратов.

Стив Папелл и ферромагнитная жидкость

Разработчик столкнулся с проблемой — нужно создать систему, которая заставляла бы топливо из бака перемещаться к отверстию, через которое насос закачивает его в камеру сгорания. Если речь идёт о жидком топливе, то в условиях невесомости жидкость свободно левитирует в баке.

Для решения задачи ученый решил применить оригинальную идею — сделать топливо магнитным, смешав его с какой-нибудь массой, обладающей магнитными свойствами. Таким образом, с применением внешних магнитов, можно будет легко управлять топливом в баке.

Для реализации такого механизма управления лучше всего подходила жидкая субстанция. Через несколько недель экспериментов Папелл подарил миру ферромагнитную жидкость. Для создания своей жидкости ученый использовал двойной оксид железа магнетит (Fe₃O₄), который он измельчал, смешивая олеиновой кислотой и затем добавляя органические растворители.

После завершения техпроцесса получалась коллоидная суспензия, которая содержала взвесь частиц магнетита размером 0,1 — 0,2 микрона, в соотношении: 5% частиц магнетита, 10 % модификатора, 75% растворителя (например, масло). Молекулы олеиновой кислоты использовались как модификатор, который не позволял слипаться частицам оксида.

Изобретение инженера было запатентовано в 1965-м году US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles).

Изобретение Папелла было с восторгом принято его коллегами по научному сообществу и космическому агентству, позволило его имени остаться в истории физики. Однако, несмотря на интерес, NASA так и не использовало его идеи, главным образом потому, что было отдано предпочтение твердому ракетному топливу. Дальнейшие эксперименты с ферромагнитной жидкостью в NASA касались систем стабилизации корабля в пространстве.

Созданная Папеллом жидкость, оценивается как очень весомый вклад — этим изобретением он заложил основу одной из новых отраслей физического знания — феррогидродинамике. Дальнейшие разработки и внедрение ферромагнитной жидкости в производственную практику велись под руководством коллеги Папелла по NASA, Рона Розенцвейга. Работы проводились в корпорации AVCO, которая ставила целью коммерческое применение этого изобретения.

Рон Розенцвейг и ферромагнитная жидкость

Динамики с жидкостью

Сложно сказать, какая компания начала первой использовать ферромагнитную жидкость для производства динамиков. Компания SONY стала первым массовым производителем звуковых излучателей с ферромагнитной жидкостью, применив её для создания ВЧ-драйверов и широкополосников в 2012-м году. Сегодня, по данным www.czferro.com, более 300 млн динамиков в год выпускаются с применением феррофлюида.

Жидкость применяется для отвода тепла от звуковой катушки, а также выступает в качестве дополнительного демпфера, который гасит паразитные резонансы. В существующих сегодня конструкциях ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре между катушкой и магнитом благодаря воздействию магнитного поля, выполняя роль центрирующей шайбы.

В классической конструкции динамиков шайба, обеспечивающая центрирование и амортизацию звуковой катушки, напрямую связывает её (катушку) с диффузором. Исследования, проведенные в SONY, показали, что традиционная конструкция вносит больше искажений.

Дело в том, что шайба фактически выступает как второй диффузор и, соответственно, создает колебания. Устранение шайбы сводит к нулю её влияние на звуковоспроизведение. При использовании жидкости возможно уменьшение расстояния между катушкой и диффузором, что позволяет свести к минимуму потери при передаче колебаний, сделать динамик более плоским и компактным (при сохранении прежнего уровня громкости).

Жидкость обеспечивает прирост громкости от 2 дБ и на 35% снижает энергопотребление. Соответственно, конструкция повышает КПД динамика, при этом обеспечивая дополнительное демпфирование. Эффекты жидкости, позволяющие увеличить демпфирование и снизить резонансы такого динамика, были исследованы уже в 21-м веке aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.345854.

“Мокрые” против “сухих”

Появление нового типа динамиков ожидаемо вызвало реакцию в среде людей небезразличных к аудиоаппаратуре. Как водится, разгорелись дискуссии, где мнения аудиофилов, меломанов и прочих сочувствующих разделились.

Традиционалисты, “попробовав” новшество, отметили ухудшение динамических (и в особенности “микродинамических”) характеристик. Критики особенно часто упирают на субъективные ощущения при прослушивании и авторитет своего экспертного опыта в аудио. Сторонники инновации отметили снижение искажений, более высокую верность воспроизведения и высокую громкость (учитывая размеры динамиков), при отсутствии объективных данных о том, чем плоха жидкость.

Дошло даже до того, что некоторые “смелые экспериментаторы” стали удалять жидкость из зазора и рассказывать о том, что “звук стал значительно лучше” (я устал комментировать такие вещи, поэтому как факт).

Кто-то также усиленно пытался культивировать стереотип о том, что динамики с жидкостью устанавливают только в бюджетную аппаратуру, что также не соответствует действительности.

С шедеврами логики по этой теме от некоторых “умудренных жизненным опытом” любителей аудио образца 2012-го года можно ознакомиться здесь.

Со своей стороны хочу предостеречь желающих удалить жидкость из динамиков своей аудиосистемы, телевизора или ноутбука. Инженеры производителей не идиоты, и, если бы они хотели применить конструкцию с шайбой, они бы это сделали. Не являюсь большим экспертом в “микродинамике”, но вероятно, что любые динамические изменения при использовании жидкости будут находиться в пределах величин, которыми можно пренебречь (если вообще будут).

Ферромагнитная жидкость одно из интереснейших изобретений прошлого столетия, внедрение которого только начинается. Её использование вместо центрирующей шайбы — одна из самых заметных и значимых инноваций в производстве динамических излучателей за последние 10 лет. Возможно, статья кому-то покажется однобокой, но мне не удалось найти весомых аргументов в пользу того, что жидкость “вредит звуку” или как-то его портит. Если такие факты существуют — делитесь в комментах. Но пока, на мой взгляд — это исключительно благо.

В качестве завершения рекомендую к просмотру несколько потрясающе красивых роликов с ферромагнитной жидкости.

Занятые визуальные эффекты и скульптуры из ферромагнитной жидкости:

Источник