Feromagnetická tekutina ( FMF , magnetická tekutina , ferrofluid , ferrofluid ) (z latinského ferrum - železo) - tekutina , která je silně polarizovaná v přítomnosti magnetického pole .
Ferrofluidy jsou koloidní systémy skládající se z nanometrových feromagnetických nebo ferimagnetických částic suspendovaných v nosné kapalině, kterou je obvykle organické rozpouštědlo nebo voda . Pro zajištění stability takové kapaliny jsou feromagnetické částice spojeny s povrchově aktivní látkou (povrchově aktivní látkou), která vytváří kolem částic ochranný obal a zabraňuje jejich slepení vlivem van der Waalsových nebo magnetických sil.
Navzdory svému názvu nevykazují ferokapaliny feromagnetické vlastnosti, protože si nezachovávají zbytkovou magnetizaci po vymizení vnějšího magnetického pole. Na rozdíl od názvu jsou ferrofluidy paramagnetické [1] [2] a jsou často označovány jako „superparamagnetické“ [1] [2] kvůli své vysoké magnetické susceptibilitě .
Ferrofluidy jsou složeny z nanometrových částic (typicky 10 nm nebo méně) magnetitu , hematitu nebo jiného materiálu obsahujícího železo , suspendovaných v nosné tekutině. Jsou dostatečně malé, aby je tepelný pohyb rozděloval rovnoměrně po nosné tekutině, takže přispívají k odezvě tekutiny jako celku na magnetické pole. Podobně ionty ve vodných roztocích paramagnetických solí (například vodný roztok síranu měďnatého (II) nebo chloridu manganatého ) dodávají roztoku paramagnetické vlastnosti.
Ferrofluidy jsou koloidní roztoky – látky, které mají vlastnosti více než jednoho skupenství hmoty. V tomto případě jsou dva stavy pevný kov a kapalina , ve které je obsažen. [3] Tato schopnost měnit stav pod vlivem magnetického pole umožňuje použití ferrofluidů jako tmelů , maziv a může také otevřít další aplikace v budoucích nanoelektromechanických systémech.
Ferrofluidy jsou stabilní: jejich pevné částice se neslepují a neoddělují se do samostatné fáze, a to ani ve velmi silném magnetickém poli. Povrchově aktivní látky v kapalině však mají tendenci časem (asi několik let) degradovat a nakonec se částice slepí, oddělí se od kapaliny a přestanou ovlivňovat reakci kapaliny na magnetické pole. Ferofluidy také ztrácejí své magnetické vlastnosti při své Curieově teplotě , která pro ně závisí na specifickém materiálu feromagnetických částic, povrchově aktivní látce a nosné kapalině.
Termín " magnetoreologická tekutina " se týká tekutin, které, stejně jako ferrofluidy, tuhnou v přítomnosti magnetického pole. Rozdíl mezi ferrofluidem a magnetoreologickou tekutinou je ve velikosti částic. Částice ve ferrofluidu jsou převážně částice o velikosti nanometrů, které jsou v suspenzi v důsledku Brownova pohybu a za normálních podmínek se neusazují. Částice v magnetoreologické tekutině jsou převážně mikrometrové velikosti (o 1–3 řády větší); jsou příliš těžké na to, aby se udržely v suspenzi Brownovým pohybem, a proto se časem usazují kvůli přirozenému rozdílu hustoty mezi částicemi a nosnou tekutinou. V důsledku toho mají tyto dva typy kapalin různé aplikace.
Vlivem dosti silného vertikálně nasměrovaného magnetického pole se na povrchu kapaliny s paramagnetickými vlastnostmi samovolně vytvoří pravidelná struktura záhybů. Tento efekt je známý jako " normálně směrovaná nestabilita pole ". Tvorba záhybů zvyšuje volnou energii povrchu a gravitační energii kapaliny, ale snižuje energii magnetického pole. K takové konfiguraci dochází pouze při překročení kritické hodnoty magnetického pole, kdy pokles jeho energie převýší příspěvek nárůstu volné energie povrchu a gravitační energie kapaliny. Ferrofluidy mají velmi vysokou magnetickou susceptibilitu a pro kritické magnetické pole může stačit malý tyčový magnet, který způsobí vrásky na povrchu.
Aby se částice obalily ve ferrofluidu, používají se zejména následující povrchově aktivní látky :
Povrchově aktivní látky brání částicím ve slepování a zabraňují jim ve vytváření příliš těžkých shluků , které nemohou být drženy v suspenzi kvůli Brownovu pohybu. V ideálním ferrofluidu se magnetické částice neusazují ani ve velmi silném magnetickém nebo gravitačním poli. Molekuly surfaktantu mají polární „hlavu“ a nepolární „ocas“ (nebo naopak); jeden z konců je adsorbován na částici, zatímco druhý je připojen k molekulám nosné kapaliny a vytváří kolem částice pravidelnou nebo reverzní micelu . Výsledkem je, že prostorové efekty brání částicím ve slepování. Kyselina polyakrylová, citrónová a jejich soli tvoří na povrchu částic v důsledku adsorpce polyaniontů dvojitou elektrickou vrstvu, což vede ke vzniku Coulombových odpudivých sil mezi částicemi, což zvyšuje stabilitu kapaliny na vodní bázi. .
Zatímco povrchově aktivní látky jsou užitečné pro prodloužení doby usazování částic ve ferrokapalině, poškozují její magnetické vlastnosti (zejména magnetické nasycení tekutiny). Přidání povrchově aktivní látky (nebo jiné cizí látky) snižuje hustotu shlukování feromagnetických částic v aktivovaném stavu tekutiny, čímž se snižuje její viskozita v tomto stavu, což vede k "měkčí" aktivované tekutině. A přestože pro některé aplikace není viskozita ferrofluidu v aktivovaném stavu (tak říkajíc jeho „tvrdost“) příliš důležitá, pro většinu komerčních a průmyslových aplikací jde o nejdůležitější vlastnost tekutiny, takže určitý kompromis mezi je nutná viskozita v aktivovaném stavu a rychlost usazování částic. Výjimkou jsou povrchově aktivní látky na bázi polyelektrolytů , které umožňují získat vysoce koncentrované kapaliny s nízkou viskozitou.
Ferrofluid se používá v některých výškových reproduktorech k odstranění tepla z kmitací cívky. Zároveň funguje jako mechanický tlumič potlačující nežádoucí rezonanci . Ferofluid je držen v mezeře kolem kmitací cívky silným magnetickým polem a zároveň je v kontaktu s oběma magnetickými povrchy a cívkou.
Ferrofluid je schopen snížit tření . Při aplikaci na povrch dostatečně silného magnetu, jako je neodym , umožňuje magnetu klouzat po hladkém povrchu s minimálním odporem.
Ferrari používá magnetoreologické kapaliny v některých modelech aut ke zlepšení schopností odpružení . Pod vlivem počítačem řízeného elektromagnetu může odpružení okamžitě ztuhnout nebo změkčit. Kromě Ferrari se takový vývoj již dlouho používá u vozů Audi, Cadillac, BMW a dalších. [čtyři]
Americké letectvo představilo radar absorbující povlak na bázi ferrofluidu . Snížením odrazu elektromagnetických vln pomáhá snižovat efektivní rozptylovou plochu letadla .
NASA experimentuje s použitím ferrofluidu v uzavřeném prstenci jako základu pro stabilizační systém kosmické lodi ve vesmíru. Magnetické pole působí na ferrofluid v prstenci, mění moment hybnosti a ovlivňuje rotaci lodi.
Ferrofluidy mají mnoho aplikací v optice díky svým refrakčním vlastnostem. Mezi tyto aplikace patří měření měrné viskozity kapaliny umístěné mezi polarizátorem a analyzátorem, osvětlené heliem-neonovým laserem .
Probíhá mnoho experimentů s použitím ferrofluidů k odstranění nádorů .
Pokud na ferrofluid s různou citlivostí působí magnetické pole (například vlivem teplotního gradientu ), dochází k nehomogenní síle magnetického tělesa, která vede k formě přenosu tepla zvané termomagnetická konvekce . Tato forma přenosu tepla může být použita tam, kde konvenční konvekce není vhodná , jako například v mikrozařízeních nebo při snížené gravitaci .
Použití ferrofluidu pro odvod tepla v reproduktorech již bylo zmíněno. Kapalina zabírá mezeru kolem kmitací cívky a je držena magnetickým polem. Protože ferrofluidy jsou paramagnetické, řídí se Curie-Weissovým zákonem a stávají se méně magnetickými, jak teplota stoupá. Silný magnet umístěný vedle kmitací cívky, který generuje teplo, přitahuje studenou kapalinu více než horkou kapalinu a táhne horkou kapalinu pryč z cívky a směrem k chladiči . Jedná se o efektivní způsob chlazení, který nevyžaduje dodatečné náklady na energii. [5]
Zmrazená nebo polymerizovaná feromagnetická kapalina, která je v kombinaci konstantních (magnetizujících) a střídavých magnetických polí, může sloužit jako zdroj pružných kmitů s frekvencí střídavého pole, které lze využít ke generování ultrazvuku . [6]
Ferrofluid lze použít jako součást separátoru magnetických kapalin pro čištění jemného zlata od kalu .