Ferromagnetisk vätska ( FMF , magnetisk vätska , ferrofluid , ferrofluid ) (av latinets ferrum - järn) - en vätska som är starkt polariserad i närvaro av ett magnetfält .
Ferrofluider är kolloidala system som består av nanometerstora ferromagnetiska eller ferrimagnetiska partiklar suspenderade i en bärarvätska, som vanligtvis är ett organiskt lösningsmedel eller vatten . För att säkerställa stabiliteten hos en sådan vätska är ferromagnetiska partiklar associerade med ett ytaktivt ämne (ytaktivt ämne), som bildar ett skyddande skal runt partiklarna och förhindrar dem från att klibba ihop på grund av van der Waals eller magnetiska krafter.
Trots namnet uppvisar ferrofluider inte ferromagnetiska egenskaper eftersom de inte behåller kvarvarande magnetisering efter försvinnandet av ett externt magnetfält. I motsats till namnet är ferrofluider paramagnetiska [1] [2] och kallas ofta för "superparamagnetiska" [1] [2] på grund av deras höga magnetiska känslighet .
Ferrofluids är sammansatta av nanometerstora partiklar (typiskt 10 nm eller mindre) av magnetit , hematit eller annat järnbärande material , suspenderade i en bärarvätska. De är tillräckligt små för att termisk rörelse fördelar dem jämnt i bärarvätskan, så att de bidrar till vätskans svar som helhet på magnetfältet. På liknande sätt ger joner i vattenlösningar av paramagnetiska salter (till exempel en vattenlösning av koppar(II)sulfat eller mangan(II)klorid ) paramagnetiska egenskaper till lösningen.
Ferrofluider är kolloidala lösningar - ämnen som har egenskaperna hos mer än ett materiatillstånd . I detta fall är de två tillstånden den fasta metallen och vätskan i vilken den finns. [3] Denna förmåga att ändra tillstånd under påverkan av ett magnetiskt fält tillåter användning av ferrofluids som tätningsmedel , smörjmedel , och kan också öppna upp för andra tillämpningar i framtida nanoelektromekaniska system.
Ferrofluider är stabila: deras fasta partiklar håller inte ihop och separeras inte i en separat fas, även i ett mycket starkt magnetfält. Tensider i en vätska tenderar dock att brytas ned med tiden (ungefär några år), och så småningom håller partiklarna ihop, separeras från vätskan och slutar påverka vätskans svar på ett magnetfält. Dessutom förlorar ferrofluider sina magnetiska egenskaper vid deras Curie-temperatur , vilket för dem beror på det specifika materialet i de ferromagnetiska partiklarna, ytaktiva ämnen och bärarvätska.
Termen " magnetoreologisk vätska " hänvisar till vätskor som, liksom ferrofluider, stelnar i närvaro av ett magnetfält. Skillnaden mellan ferrofluid och magnetoreologisk vätska är i partikelstorlek. Partiklar i en ferrofluid är huvudsakligen nanometerstora partiklar som är i suspension på grund av Brownsk rörelse och inte sedimenterar under normala förhållanden. Partiklar i en magnetoreologisk vätska är huvudsakligen mikrometerstora (1–3 storleksordningar större); de är för tunga för att hållas i suspension genom Brownska rörelser och därför sedimenterar de med tiden på grund av den naturliga densitetsskillnaden mellan partiklarna och bärarvätskan. Som en konsekvens har dessa två typer av vätskor olika tillämpningar.
Under påverkan av ett ganska starkt vertikalt riktat magnetfält bildar ytan av en vätska med paramagnetiska egenskaper spontant en regelbunden struktur av veck. Denna effekt är känd som " normalt riktad fältinstabilitet ". Bildandet av veck ökar ytans fria energi och vätskans gravitationsenergi , men minskar magnetfältets energi. En sådan konfiguration inträffar endast när det kritiska värdet för magnetfältet överskrids, när minskningen av dess energi överstiger bidraget från ökningen av ytans fria energi och vätskans gravitationsenergi. Ferrofluider har en mycket hög magnetisk känslighet , och för ett kritiskt magnetfält kan en liten stavmagnet räcka för att orsaka rynkor på ytan.
För att omsluta partiklar i en ferrofluid används följande ytaktiva ämnen , i synnerhet :
Ytaktiva ämnen hindrar partiklar från att klibba ihop, vilket hindrar dem från att bilda för tunga kluster som inte kan hållas i suspension på grund av Brownsk rörelse. I en ideal ferrofluid sätter sig magnetiska partiklar inte ens i ett mycket starkt magnetiskt eller gravitationsfält . Ytaktiva molekyler har ett polärt "huvud" och en opolär "svans" (eller vice versa); en av ändarna adsorberas till partikeln, medan den andra är fäst vid bärarvätskans molekyler och bildar en vanlig respektive omvänd micell runt partikeln. Som ett resultat förhindrar rumsliga effekter partiklar från att klibba ihop. Polyakryl, citronsyror och deras salter bildar ett dubbelt elektriskt skikt på ytan av partiklarna som ett resultat av adsorptionen av polyanjoner, vilket leder till uppkomsten av Coulomb frånstötande krafter mellan partiklarna, vilket ökar stabiliteten hos den vattenbaserade vätskan .
Även om ytaktiva ämnen är användbara för att förlänga sedimenteringstiden för partiklar i en ferrofluid, är de skadliga för dess magnetiska egenskaper (särskilt den magnetiska mättnaden av vätskan). Tillsatsen av ett ytaktivt ämne (eller andra främmande ämnen) minskar packningsdensiteten hos de ferromagnetiska partiklarna i vätskans aktiverade tillstånd, och minskar därigenom dess viskositet i det tillståndet, vilket resulterar i en "mjukare" aktiverad vätska. Och även om viskositeten för ferrofluiden i aktiverat tillstånd (så att säga, dess "hårdhet") för vissa tillämpningar inte är särskilt viktig, är detta för de flesta kommersiella och industriella tillämpningar den viktigaste egenskapen hos vätskan, så en viss kompromiss mellan Viskositeten i aktiverat tillstånd och partikelavsättningshastigheten är nödvändig. Undantaget är ytaktiva ämnen baserade på polyelektrolyter , som gör det möjligt att erhålla högkoncentrerade vätskor med låg viskositet.
Ferrofluid används i vissa diskanthögtalare för att ta bort värme från talspolen. Samtidigt fungerar den som en mekanisk dämpare som dämpar oönskad resonans . Ferrofluiden hålls i gapet runt talspolen av ett starkt magnetfält samtidigt som den är i kontakt med både magnetiska ytor och spolen.
Ferrofluid kan minska friktionen . Applicerad på ytan av en tillräckligt stark magnet, såsom neodym , låter den magneten glida över en slät yta med minimalt motstånd.
Ferrari använder magnetoreologiska vätskor i vissa bilmodeller för att förbättra fjädringsförmågan . Under påverkan av en datorstyrd elektromagnet kan upphängningen omedelbart bli styvare eller mjukare. Förutom Ferrari har sådana utvecklingar länge använts i bilar från Audi, Cadillac, BMW och andra. [fyra]
Det amerikanska flygvapnet har introducerat en ferrofluidbaserad radarabsorberande beläggning. Genom att minska reflektionen av elektromagnetiska vågor hjälper det till att minska flygplanets effektiva spridningsarea .
NASA har experimenterat med användningen av en ferrofluid i en sluten ring som grund för ett stabiliseringssystem för rymdfarkoster i rymden. Magnetfältet verkar på ferrofluiden i ringen, ändrar rörelsemängden och påverkar fartygets rotation.
Ferrofluider har många tillämpningar inom optik på grund av deras brytningsegenskaper. Bland dessa applikationer är mätning av den specifika viskositeten hos en vätska placerad mellan en polarisator och en analysator, upplyst av en helium-neonlaser .
Många experiment pågår med användning av ferrofluider för att avlägsna tumörer .
Om en ferrofluid med olika känslighet påverkas av ett magnetfält (till exempel på grund av en temperaturgradient ) uppstår en inhomogen magnetisk kroppskraft, vilket leder till en form av värmeöverföring som kallas termomagnetisk konvektion . Denna form av värmeöverföring kan användas där konventionell konvektion inte är lämplig , till exempel i mikroenheter eller under reducerad gravitation .
Användningen av ferrofluid för värmeavledning i högtalare har redan nämnts. Vätskan upptar gapet runt talspolen och hålls av magnetfältet. Eftersom ferrofluider är paramagnetiska, lyder de Curie-Weiss-lagen och blir mindre magnetiska när temperaturen stiger. En stark magnet placerad bredvid talspolen, som genererar värme, drar till sig kall vätska mer än varm vätska och drar den varma vätskan bort från spolen och mot kylaren . Detta är en effektiv kylmetod som inte kräver extra energikostnader. [5]
En frusen eller polymeriserad ferromagnetisk vätska, som är i kombinationen av konstanta (magnetiserande) och alternerande magnetfält, kan fungera som en källa för elastiska oscillationer med en växelfältsfrekvens, som kan användas för att generera ultraljud . [6]
Ferrofluid kan användas som en del av en magnetisk-vätskeseparator för att rengöra fint guld från slam .