Ferromagnetisk væske ( FMF , magnetisk væske , ferrofluid , ferrofluid ) (fra latin ferrum - jern) - en væske , der er stærkt polariseret i nærvær af et magnetfelt .
Ferrofluider er kolloide systemer bestående af ferromagnetiske eller ferrimagnetiske partikler på nanometerstørrelse suspenderet i en bærervæske, som normalt er et organisk opløsningsmiddel eller vand . For at sikre stabiliteten af en sådan væske forbindes ferromagnetiske partikler med et overfladeaktivt stof (overfladeaktivt middel), som danner en beskyttende skal omkring partiklerne og forhindrer dem i at klæbe sammen på grund af van der Waals eller magnetiske kræfter.
På trods af navnet udviser ferrofluider ikke ferromagnetiske egenskaber, fordi de ikke bevarer resterende magnetisering efter forsvinden af et eksternt magnetfelt. I modsætning til navnet er ferrofluider paramagnetiske [1] [2] og omtales ofte som "superparamagnetiske" [1] [2] på grund af deres høje magnetiske modtagelighed .
Ferrofluider er sammensat af nanometer-store partikler (typisk 10 nm eller mindre) af magnetit , hæmatit eller andet jernholdigt materiale , suspenderet i en bærervæske. De er små nok til at termisk bevægelse fordeler dem jævnt i hele bærevæsken, så de bidrager til væskens reaktion som helhed på magnetfeltet. På samme måde giver ioner i vandige opløsninger af paramagnetiske salte (for eksempel en vandig opløsning af kobber(II)sulfat eller mangan(II)chlorid ) paramagnetiske egenskaber til opløsningen.
Ferrofluider er kolloide opløsninger - stoffer, der har egenskaber af mere end én stoftilstand . I dette tilfælde er de to tilstande det faste metal og den væske , som det er indeholdt i. [3] Denne evne til at ændre tilstand under påvirkning af et magnetfelt tillader brugen af ferrofluider som tætningsmidler , smøremidler og kan også åbne op for andre anvendelser i fremtidige nanoelektromekaniske systemer.
Ferrofluider er stabile: deres faste partikler klæber ikke sammen og adskilles ikke i en separat fase, selv i et meget stærkt magnetfelt. Men overfladeaktive stoffer i en væske har en tendens til at nedbrydes over tid (ca. et par år), og til sidst klæber partiklerne sammen, adskilles fra væsken og holder op med at påvirke væskens reaktion på et magnetfelt. Ferrofluider mister også deres magnetiske egenskaber ved deres Curie-temperatur , som for dem afhænger af det specifikke materiale af de ferromagnetiske partikler, overfladeaktivt middel og bærervæske.
Udtrykket " magnetoreologisk væske " refererer til væsker, der ligesom ferrofluider størkner i nærvær af et magnetfelt. Forskellen mellem ferrofluid og magnetoreologisk væske er i partikelstørrelse. Partikler i en ferrofluid er hovedsageligt nanometerstore partikler, der er i suspension på grund af Brownsk bevægelse og ikke bundfælder under normale forhold. Partikler i en magnetoreologisk væske er hovedsageligt mikrometer i størrelse (1-3 størrelsesordener større); de er for tunge til at blive holdt i suspension ved Brownsk bevægelse og sætter sig derfor over tid på grund af den naturlige densitetsforskel mellem partiklerne og bærevæsken. Som en konsekvens har disse to typer væsker forskellige anvendelser.
Under påvirkning af et ret stærkt vertikalt rettet magnetfelt danner overfladen af en væske med paramagnetiske egenskaber spontant en regelmæssig struktur af folder. Denne effekt er kendt som " normalt rettet feltinstabilitet ". Dannelsen af folder øger overfladens frie energi og væskens gravitationsenergi , men reducerer magnetfeltets energi. En sådan konfiguration opstår kun, når den kritiske værdi af magnetfeltet overskrides, når faldet i dets energi overstiger bidraget fra stigningen i overfladens frie energi og væskens gravitationsenergi. Ferrofluider har en meget høj magnetisk modtagelighed , og for et kritisk magnetfelt kan en lille stangmagnet være tilstrækkelig til at forårsage rynker på overfladen.
For at omslutte partikler i en ferrofluid anvendes især følgende overfladeaktive stoffer :
Overfladeaktive stoffer forhindrer partikler i at klæbe sammen, hvilket forhindrer dem i at danne for tunge klynger , der ikke kan holdes i suspension på grund af Brownsk bevægelse. I en ideel ferrofluid sætter magnetiske partikler sig ikke selv i et meget stærkt magnetisk eller gravitationsfelt . Overfladeaktive molekyler har et polært "hoved" og en ikke-polær "hale" (eller omvendt); en af enderne er adsorberet til partiklen, mens den anden er fæstnet til bærevæskens molekyler og danner henholdsvis en regulær eller omvendt micelle omkring partiklen. Som et resultat forhindrer rumlige effekter partikler i at klæbe sammen. Polyakryl, citronsyrer og deres salte danner et dobbelt elektrisk lag på overfladen af partiklerne som følge af adsorptionen af polyanioner, hvilket fører til fremkomsten af Coulomb frastødende kræfter mellem partiklerne, hvilket øger stabiliteten af den vandbaserede væske .
Selvom overfladeaktive stoffer er nyttige til at forlænge bundfældningstiden for partikler i en ferrofluid, er de skadelige for dets magnetiske egenskaber (især den magnetiske mætning af væsken). Tilsætningen af et overfladeaktivt middel (eller andet fremmedlegeme) reducerer pakningstætheden af de ferromagnetiske partikler i væskens aktiverede tilstand, hvorved dets viskositet i denne tilstand reduceres, hvilket resulterer i en "blødere" aktiveret væske. Og selv om viskositeten af ferrofluiden i aktiveret tilstand (så at sige dens "hårdhed") for nogle anvendelser ikke er særlig vigtig, er dette for de fleste kommercielle og industrielle anvendelser væskens vigtigste egenskab, så et vist kompromis mellem viskositeten i aktiveret tilstand og partikeludfældningshastigheden er nødvendig. Undtagelsen er overfladeaktive stoffer baseret på polyelektrolytter , som gør det muligt at opnå højkoncentrerede væsker med lav viskositet.
Ferrofluid bruges i nogle diskanthøjttalere til at fjerne varme fra svingspolen. Samtidig fungerer den som en mekanisk dæmper , der undertrykker uønsket resonans . Ferrofluiden holdes i spalten omkring svingspolen af et stærkt magnetfelt, mens den er i kontakt med både magnetiske overflader og spolen på samme tid.
Ferrofluid er i stand til at reducere friktionen . Påført på overfladen af en tilstrækkelig stærk magnet, såsom neodym , tillader den magneten at glide over en glat overflade med minimal modstand.
Ferrari bruger magnetoreologiske væsker i nogle bilmodeller for at forbedre affjedringens egenskaber . Under påvirkning af en computerstyret elektromagnet kan affjedringen øjeblikkeligt blive stivere eller blødere. Ud over Ferrari har sådanne udviklinger længe været brugt i biler fra Audi, Cadillac, BMW og andre. [fire]
Det amerikanske luftvåben har introduceret en ferrofluid -baseret radarabsorberende belægning. Ved at reducere refleksionen af elektromagnetiske bølger hjælper det med at reducere flyets effektive spredningsområde .
NASA har eksperimenteret med brugen af en ferrofluid i en lukket ring som grundlag for et rumfartøjsstabiliseringssystem i rummet. Det magnetiske felt virker på ferrofluiden i ringen, ændrer vinkelmomentet og påvirker skibets rotation.
Ferrofluider har mange anvendelser i optik på grund af deres brydningsegenskaber. Blandt disse applikationer er måling af den specifikke viskositet af en væske placeret mellem en polarisator og en analysator, belyst af en helium-neon-laser .
Mange eksperimenter er i gang med brugen af ferrofluider til at fjerne tumorer .
Hvis en ferrofluid med forskellig modtagelighed påvirkes af et magnetfelt (for eksempel på grund af en temperaturgradient ) , opstår der en inhomogen magnetisk kropskraft, som fører til en form for varmeoverførsel kaldet termomagnetisk konvektion . Denne form for varmeoverførsel kan bruges, hvor konventionel konvektion ikke er egnet , såsom i mikroenheder eller under reduceret tyngdekraft .
Brugen af ferrofluid til varmeafledning i højttalere er allerede blevet nævnt. Væsken optager mellemrummet omkring svingspolen og holdes af magnetfeltet. Fordi ferrofluider er paramagnetiske, adlyder de Curie-Weiss-loven og bliver mindre magnetiske, når temperaturen stiger. En stærk magnet placeret ved siden af svingspolen, som genererer varme, tiltrækker kold væske mere end varm væske, og trækker den varme væske væk fra spolen og mod køleren . Dette er en effektiv kølemetode, der ikke kræver ekstra energiomkostninger. [5]
En frossen eller polymeriseret ferromagnetisk væske, som er i kombinationen af konstante (magnetiserende) og vekslende magnetiske felter, kan tjene som en kilde til elastiske oscillationer med en vekselfeltfrekvens, som kan bruges til at generere ultralyd . [6]
Ferrofluid kan bruges som en del af en magnetisk-væskeseparator til rensning af fint guld fra slam .