Ферромагнитная жидкость

Необычный черный «ежик» на фотографии, который легко принять за твердое тело, — ферромагнитная жидкость, «ощетинившаяся» под действием магнита. Ее капля налита на стекло, под которым находится магнит (кубик на фото). Ферромагнитная жидкость собирается в холмик из-за смачивания, а шипы появляются из-за взаимодействия с магнитом. Если магнит убрать, шипы у холмика исчезнут. Но почему вообще жидкость взаимодействует с магнитным полем? И почему у нее вырастают шипы? Давайте разберемся.

Обычные жидкости, как и всё вещество вокруг нас, обладают магнитными свойствами. Но из-за того, что эти свойства очень слабые, понадобится очень сильный магнит (например, неодимовый), чтобы такое взаимодействие стало заметным глазу. Жидкости по своим магнитным свойствам бывают парамагнитными (притягиваются к магниту) или диамагнитными (отталкиваются от магнита). Можете посмотреть видео в сети, на которых парамагнитный жидкий кислород притягивается к магниту, а диамагнитная вода отталкивается. Все эти эксперименты не требуют никаких специальных условий помимо сильного магнита.

Третий по распространенности тип магнетизма после диамагнетизма и парамагнетизма — это ферромагнетизм. Ферромагнетики, как и парамагнетики, притягиваются к магниту, но в миллионы раз сильнее. Главное отличие ферромагнетиков от парамагнетиков в том, что они «запоминают» приложенное к ним поле, сохраняя остаточную намагниченность (см. Магнитный гистерезис). Это свойство хорошо продемонстрировано на видео, где автомобильный клапан из ферромагнитного материала сначала превратили в постоянный магнит, а потом вернули в «обычное» состояние. Способностью «запоминать» магнитное поле ферромагнетики обязаны своей кристаллической структуре (см. Домены), которой, естественно, не может быть у жидкости. Поэтому считается, что из-за своего строения жидкости не могут быть ферромагнитными. Например, в твердом состоянии железо — ферромагнетик, а в жидком — уже не ферромагнетик, а парамагнетик. Впрочем, нет правила, которое запрещало бы ученым создать в будущем жидкость-ферромагнетик при помощи какой-нибудь хитрой технологии.

Настоящий рекордсмен по магнитным свойствам в мире жидкостей — ферромагнитная жидкость. Она взаимодействует с магнитным полем в 10 тысяч раз сильнее, чем обычные жидкости. В природе ее не существует, она была искусственно создана и представляет собой жидкость со взвешенными в ней твердыми магнитными частицами нанометрового размера. Вопреки своему названию, ферромагнитная жидкость является не ферромагнетиком, а очень сильным парамагнетиком. Такое название она получила потому, что чаще всего для ее изготовления используются частицы измельченного ферромагнетика (иногда вместо него добавляют ферримагнетик).

Создатель феррожидкости Стив Папелл. Фото с сайта nasa.gov

Впервые ферромагнитную жидкость изготовил ученый из NASA Стив Папелл (Stephen Papell) в 1963 году, когда работал над созданием жидкого ракетного топлива, которое можно было бы направить к топливному насосу в невесомости с помощью магнитного поля. Для создания ферромагнитной жидкости Папелл приготовил коллоидную систему из мельчайших ферромагнитных частиц (частиц измельченного до состояния пудры магнетита), взвешенных в смеси из поверхностно-активного вещества (олеиновой кислоты) и органического растворителя (керосина).

Именно мельчайшие, размером в пару нанометров, ферромагнитные частицы и ответственны за сильные магнитные свойства этой необычной жидкости. Они занимают всего около 5% объема жидкости, но распределены по нему равномерно. Благодаря своему маленькому размеру эти частицы не оседают на дно, потому что скорость их оседания сравнима со скоростью хаотического броуновского движения. При таких небольших размерах частиц становится значительным их межмолекулярное притяжение, и ферромагнитные частицы стремятся слипнуться. Не дает им это сделать поверхностно-активное вещество, образующее пленку на ферромагнитных частицах, которая не подпускает их близко друг к другу.

Если налить немного ферромагнитной жидкости на плоскую тарелку, взять обычный стержневой магнит и начать подносить его снизу к тарелке, то можно пронаблюдать интересное и красивое явление. По мере приближения магнита на поверхности жидкости сначала появится рябь, а затем образуется периодическая пикообразная структура, которая называется неустойчивостью Розенцвейга (см. В присутствии магнитного поля поверхность феррожидкости становится турбулентной, «Элементы», 18.02.2009). Как раз она и продемонстрирована на главном фото.

Названа неустойчивостью такая структура не случайно. Под устойчивостью в гидродинамике подразумевается затухание начальных возмущений. Шипы у ферромагнитной жидкости как раз из таких возмущений и вырастают. Как в воде или другой жидкости, в ферромагнитной жидкости может произойти флуктуация: часть молекул «вылезет» за равновесную форму, в результате чего на поверхности образуется микроскопический бугорок. Но в обычной жидкости такие флуктуации подавлены: поверхностное натяжение притягивает «вылезшие» частички жидкости назад. Когда такая флуктуация происходит в ферромагнитной жидкости, то магнитное поле стремится увеличить ее еще сильнее, а поверхностное натяжение и гравитация препятствуют этому. Начиная с некоторого критического значения магнитного поля (порядка 0,01 тесла) действие магнитного поля преобладает над поверхностным натяжением. Для ферромагнитной жидкости становится энергетически выгоднее превращать флуктуацию в пик, направленный вдоль силовой линии магнитного поля в этой точке пространства. Пик ферромагнитной жидкости содержит в себе как несущую жидкость (например, керосин, как у Папелла), так и сами магнитные частицы, которые распределены по пику равномерно. Если магнитное поле увеличивать дальше, то шипы будут становиться выше и тоньше. Если выключить магнитное поле — шипы исчезнут, и жидкость примет обычный вид.

За появление неустойчивости Розенцвейга в ферромагнитной жидкости ответственны нанометровые частицы измельченного ферромагнетика (или ферримагнетика, если используют его). Такие частицы представляют собой магнитные диполи — микроскопические магниты со своими северными и южными полюсами. Во внешнем магнитном поле эти частицы стремятся намагнититься, то есть развернуться вдоль силовых линий поля. Поворачиваясь, они притягиваются друг к другу: северный полюс одной частицы притягивается к южному полюсу другой. Это очень напоминает школьный эксперимент с железными опилками, которые выстраиваются вдоль магнитного поля.

Слева — железные опилки на листе бумаги ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Рисунок с сайта commons.wikimedia.org. Справа — пики ферромагнитной жидкости ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Рисунок с сайта ferrofluid.today

Эксперименты NASA показали, что ферромагнитную жидкость действительно можно притянуть магнитом к топливному насосу в условиях невесомости. Изобретение Папелла было принято с энтузиазмом. Он получил три патента и премию от NASA в размере 500 долларов. Тем временем коллеги Папелла выяснили, что в условиях низкой гравитации жидкости собираются в центре резервуара. Для направления топлива к насосу решили использовать более простые методы, такие как перегородки.

Но у ферромагнитной жидкости есть и другие варианты применения. С 1970-х годов ее используют для охлаждения в динамиках. В большинстве динамиков тепловыделение на звуковой катушке увеличивается, когда пользователь выкручивает громкость посильнее. Если не охлаждать звуковую катушку, то КПД динамиков (доля мощности, которая переходит в мощность звуковых волн) будет уменьшаться (см. Power compression). На практике это значит, что пользователь будет получать более тихий звук, чем он рассчитывал получить, увеличивая громкость. Кроме того, различие в громкости может оказаться разным для более высоких или более низких частот, что исказит звучание. Чтобы всего этого избежать, звуковую катушку охлаждают. Для этого в зазор вокруг нее помещают ферромагнитную жидкость, которая удерживается там магнитом. Когда феррожидкость нагревается от звуковой катушки, магнит уже не так сильно притягивает ее, как холодную, поскольку магнитные свойства парамагнетиков ослабевают с увеличением температуры согласно закону Кюри — Вейса. Более холодная ферромагнитная жидкость притягивается в зазор вокруг катушки сильнее, чем горячая, что создает поток жидкости. Горячая ферромагнитная жидкость, которая отвела тепло от звуковой катушки, выталкивается потоком холодной ферромагнитной жидкости в область вблизи кулера и уже там охлаждается.

Ферромагнитную жидкость также используют для смазки в узлах трения автомобильной техники, промышленных машин и механизмов. Преимущество ее использования вместо обычного масла в том, что феррожидкость можно удерживать в нужном месте внешним магнитным полем, предотвращая утечку смазочных материалов.

Еще одна область применения феромагнитной жидкости — это магнитожидкостное уплотнение для герметизации вращающихся валов в машиностроении. Если пространство между валом и корпусом загерметизировать каким-либо обычным материалом, то он будет быстро изнашиваться из-за трения вала об него или затруднять движение вала. Уплотнение из ферромагнитной жидкости более износостойкое, потому что трение вала о жидкость гораздо слабее, чем трение о твердый материал. Чтобы ферромагнитная жидкость удерживалась в пространстве между между валом и неподвижным корпусом, используется постоянный магнит, который спрятан в корпусе.

Магнитожидкостное уплотнение вращающегося вала. Магнитное поле создается таким образом, чтобы ферромагнитная жидкость образовывала О-образные кольца вокруг вала, находясь при этом в пространстве между валом и полюсным наконечником (см. правую часть рисунка). То есть феррожидкость образует ряд уплотнительных колец с промежуточными областями, заполненными газом. С одной стороны, каждое кольцо жидкости выталкивается по горизонтали из области с большим давлением в область меньшего давления. С другой стороны, кольцо феррожидкости стремится вернуться назад из-за аналогичного перепада в величине магнитного поля справа и слева. Таким образом сохраняется герметичность. Изображение с сайта en.hohwon.com

Ферромагнитная жидкость нашла свое применение не только в промышленности, но еще и в искусстве. С помощью ферромагнитной жидкости художники создают удивительные по красоте работы.

Капля феррожидкости высотой три сантиметра на предметном стекле. Лист желтой бумаги находится под предметным стеклом, а набор из семи маленьких круглых магнитов под бумагой влияет на форму капли. Фото © Felice Frankel с сайта commons.wikimedia.org

Художник Эрик Меспле (Eric Mesple) делает интерактивные арт-объекты. Например, его установка под названием Machine: Affecting Effect в форме сферы имеет датчики движения и позволяет перемещать магнит с феррожидкостью вдоль сферы вслед за зрителем. Другая установка, Ferreflection Pool, позволяет визуализировать силуэт зрителя. Для этого автор использует старую игровую приставку Xbox с датчиком движения и микроконтроллер, который управляет включением-выключением 320 магнитов, активируемых для создания силуэта.

А японские художники Сатико Кодама (Sachiko Kodama) и Минако Такено (Minako Takeno) в 2001 году провели необычную интерактивную выставку Protrude, Flow. Звуки в выставочном зале (звуки артистов и голоса зрителей) улавливались свисающим с потолка микрофоном, затем компьютер преобразовывал амплитуду звука в электромагнитное напряжение, определяющее силу магнитного поля. Магнитное поле изменяло форму ферромагнитной жидкости.

Фотография с выставки Protrude, Flow. Фото © Yozo Takada с сайта kodama.hc.uec.ac.jp

Фото © Gregory F. Maxwell с сайта commons.wikimedia.org.

Яна Савченко