15.4 Ферромагнитные жидкости

Ферромагнитные жидкости — это коллоиды, обычно состоящие из 10-нанометровых магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для пре­дотвращения их агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном мас­ле. Наночастицы представляют собой однодоменные магниты, ориентация маг­нитных моментов которых в отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная намагниченность жидкости равна нулю. При на ложении магнитного поля моменты отдельных частиц выстраиваются по направ­лению поля, и жидкость намагничивается. Обычно в таких жидкостях использу­ются частицы магнетита Fe₃O₄. На рис.16.60.показана кривая намагничивания феррожидкости с 6-нанометровыми частицами магнетита, гистерезис которой практически отсутствует. Таким образом, ферромагнитные жидкости — суперпа­рамагнитные магнитомягкие материалы. Интересно, что суспензии магнитных частиц в жидкостях использовались в магнитных вакуумных затворах начиная с 1940-х годов, но брались частицы больших, микронных, размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее загущению до твер­дого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал жидкостью не является. Манометровый масштаб размеров частиц является необходимым усло­вием для существования ферромагнитной жидкости. Эти жидкости обладают массой интересных свойств, таких как зависимость от магнитного поля анизот­ропии оптических свойств.

Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из длинных молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ори­ентацию которых в жидкой фазе можно влиять с помощью электрического по­ля. Управляемое электрическим полем двулучепреломление жидких кристал­лов широко используется в оптических устройствах, например жидкокристал­лических дисплеях наручных часов или переносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения ферромагнитных жидкостей на ос­нове их двулучепреломления, зависящего от магнитного поля. Для наблюдения этого явления жидкость помещают в закрытую стеклянную ячейку слоем толщиной несколько микрон. При наложении магнитного поля па­раллельно поверхности с помощью оптического микроскопа можно на­блюдать, как некоторые магнитные частицы в жидкости собираются в иг­лообразные цепочки, ориентирован­ные вдоль поля.

.

Рис.15.11 Кривая намагничивания ферро­магнитной жидкости на основе наночастиц магнетита, Fe₃O₄, демонстрирует маг-нитомягкое поведение (отсутствие гисте­резиса).

Рис.15.12.Фотография цепочек магнитных наночастиц в пленке ферромагнитной жидкости при наложении параллельного пленке магнитного поля, полученная через оптический микроскоп.

Выше было показано, что при помещении пленки ферромаг­нитной жидкости в достаточно сильное постоянное магнитное поле, направ­ленное перпендикулярно пленке, агрегированные в цепочки ферромагнитные наночастицы образуют равновесную двумерную гексагональную решетку. Та­кая структура может выступать в качестве двумерной оптической дифракцион­ной решетки, на которой падающий на нее свет будет дифрагировать. Эта структура образуется в результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Ди­фракционная картина определяется уравнением dsinΘ = nλ, где d — расстояние между цепочками наночастиц, Θ — угол между норма­лью к поверхности пленки и выходя­щим из нее пучком света, я — целое число, а λ — длина световой волны.

Рис15.13 -Экспериментальная установка для измерения эффекта оптической поля­ризации на пленке ферромагнитной жидкости в магнитном поле, парал­лельном поверхности.

Таким образом можно получить перестраиваемую дифракционную ре­шетку, которую можно подстраивать на требуемую длину волны, изменяя напряженность магнитного поля. Интенсивность пучка света, про­ходящего через анализатор, показанный на рис. 15.13 в зависимости от угла в нулевом магнитном поле и в поле 200 Э (0.02 Тл).

Ферромагнитные жидкости уже коммерчески используются в не­скольких приложениях. Они выступа­ют в качестве герметика, препятству­ющего проникновению пыли внутрь корпуса жестких дисков персональ­ных компьютеров, и вакуумных уп­лотнителей, необходимых для введе­ния быстро вращающихся осей в высоковакуумированную зону. В последнем луче жидкость исполь­зуется для герметизации щели между вращающимся валиком и поддержи­вающей его опорой.

Уплотнение состоит из не­скольких капель ферромагнитной жидкости в промежутке между осью и втулкой, в качестве которой исполь­зуется цилиндрический постоянный магнит. Жидкость образует вокруг оси непроницаемое кольцо, не вызываю­щее, однако, заметного трения. Уп­лотнения такого типа используются во многих применениях. Ферромаг­нитные жидкости используются в аку­стических динамиках для демпфиро­вания мембраны. Даже природа ис­пользует ферромагнитные жидкости. Например, считается, что ферромаг­нитная жидкость играет определен­ную роль в системе ориентации форе­ли. Полагают, что в носу форели су­ществуют клетки, содержащие суспензии наночастиц магнетита. Когда рыба меняет свою ориентацию по отношению к магнитному полю Земли, направление намагниченнос­ти ферромагнитной жидкости в клет­ках меняется. Это изменение обраба­тывается мозгом форели для получе­ния информации о её ориентации.