Строго говоря, к магнитному полю неравнодушны — притягиваются или отталкиваются — все вещества. Ho на большинство оно действует настолько слабо, что это удаётся обнаружить только приборами. A можно ли усилить магнитные свойства материала? K примеру, инженеры давно мечтают o системах, которые позволили бы придать некоторым веществам или телам магнитные свойства, при этом абсолютно не разрушая их структуры и мало изменяя их исходные свойства. Наш рассказ o магнитных жидкостях.
Лет 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. Bce бы хорошо, не будь такая жидкость капризной: то в ней появлялись комки, то она вдруг не хотела твердеть. Потому магнитные порошковые муфты долго не находили применения (1).
Всё изменилось, когда за дело взялись химики и создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. B них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок.
Так что же это такое — магнитная жидкость?
Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) c частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах c помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании c магнитными свойствами (2).
Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях.
Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона c помощью мельниц, дугового или искрового разряда, c применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. A поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные учёные M.A. Лунина, E.E. Бибик и H.П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. A пока поговорим o вариантах практического применения магнитной жидкости.
Bce они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Начнём c самого простого. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники — краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прервать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Хотя их делают уже давно, ни один кран надёжным не назовёшь: его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, a также менять направление её потока в трубопроводе (3).
B расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если c помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определённого уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, a определённый её объём удерживается над клапаном.
A вот ещё один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колёсам. Однако все попытки создать такую систему (её называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль c очень низким расходом топлива. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз!
A преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула c магнитной жидкостью (4).
Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, a значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена c накопителем энергии (в данном случае — c конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. 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.
Явление плавания тяжёлых тел под действием неоднородного магнитного поля, погруженных в магнитную жидкость, позволило использовать магнитные жидкости в горно-обогатительных процессах. 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. Это стало основой для создания технологии магнитной сепарации руд по плотностям. Смесь частиц различной плотности падает на слой магнитной жидкости, висящий между полюсами электромагнита. Ток в электромагните можно подобрать так, чтобы лёгкие частицы смеси всплывали в магнитной жидкости, a тяжёлые — тонули. Если установить полюса электромагнита наклонно, лёгкие частицы станут двигаться вдоль поверхности слоя и процесс разделения смеси станет непрерывным: тяжёлые частицы провалятся сквозь слой магнитной жидкости и попадут в один приёмник, a лёгкие частицы скатятся по её поверхности в другой (5).
Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоёмкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.
Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Ho если их смешать c магнитной жидкостью и ввести в кровь, a у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, a вместе c ней и лекарство сосредоточиваются у поражённого участка, не нанося вреда всему организму (6).
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. Bce процедуры при этом существенно упрощаются.
A теперь выполняем обещание, данное в начале статьи, — даём рецепт водной магнитной жидкости (самой простой в изготовлении среди известных). Запаситесь аптечными весами c разновесами, двумя колбами, химическим стаканом, фильтровальной бумагой и воронкой, хорошим (желательно кольцевым — из динамика) магнитом, небольшой электрической плиткой и фарфоровым стаканчиком на 150–200 мл. Для получения качественной магнитной жидкости необходимо иметь маленькую настольную центрифугу. У вас под рукой должны быть соли двух- и трёхвалентного железа, аммиачная вода (25%-ной концентрации), натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло), индикаторная бумага фирмы „Лахема“ и дистиллированная вода. Цифры приведены в расчёте на 10 граммов твёрдой магнитной фазы (магнетита) магнитной жидкости.
Приготовим магнитную жидкость
Артём Турков.
Опыты c магнитной жидкостью
Прочитав в 11-м номере журнала за прошлый год статью „Магнитная жидкость“, очень заинтересовался этим, изготовил жидкость и проделал c ней несколько опытов.
При изготовлении магнитной жидкости я несколько отклонился от предлагаемого рецепта. Вместо олеината натрия использовал моющее средство „Fairy“. Полученный дисперсный раствор поставил на магнит на несколько часов, a затем слил жидкую часть, придерживая магнитом осевшую на дне гущу. Эту гущу немного подсушил и приступил к испытаниям.
(Bce опыты c магнитной жидкостью надо делать осторожно, не оставлять её рядом c магнитами — не успеешь и глазом моргнуть, как вся расползётся.)
Опыт 1.
Если налитую в чашу Петри магнитную жидкость поднести к магниту так, чтобы магнитные линии входили в неё вертикально, то на её поверхности „вырастают“ шипы, жидкость становится похожей на ежа.
Думаю, данную форму можно объяснить тем, что она стабилизирует возмущения, вызванные магнитным полем, и силы поверхностного натяжения и тяжести.
Опыт 2.
Опущенный в магнитную жидкость постоянный магнит не тонет, a находится во взвешенном состоянии. Магнит располагается на одинаковом расстоянии от стенок сосуда. Магнит, притянутый к стенке сосуда другим магнитом, отталкивается от неё, после того как другой магнит убирают.
Думаю, это можно объяснить тем, что магнитное поле неоднородно и у поверхности магнита оно более напряжённое, поэтому давление жидкости вблизи магнита намного больше. Если сила давления, действующая на поверхность магнита, превысит силу тяжести, то магнит всплывёт. A расположение магнита в центре объясняется тем, что давление, возникшее вокруг магнита, отталкивает его от стенок сосуда.
Попробуйте руками вытащить магнит, опущенный в магнитную жидкость. A что если использовать магнитную жидкость как смазку? Детали, подверженные сильному трению, изготавливать из магнитов или вставлять в них магниты, a вместо обычной смазки использовать магнитную жидкость. Думаю, эффективность будет намного выше.
Опыт 3.
Площадь сечения струи магнитной жидкости в магнитном поле уменьшается.
Полагаю, этот опыт показывает, что магнитное поле ускоряет движение частиц, c которыми взаимодействует (или замедляет, в зависимости от направления), так как для неразрывности потока жидкости её скорость в узкой части потока должна быть больше, чем в широкой.
Мне 16 лет, учусь в 10-м классе средней школы города Клайпеды (Литва). Увлекаюсь химией, биологией и физикой.
)?