Магни́тные жи́дкости, коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц в обычных жидкостях. Магнитные жидкости обладают уникальным для жидкости сочетанием свойств – высокой текучестью, способностью намагничиваться до насыщения и эффективным взаимодействием с магнитным полем. Вещества с такими свойствами отсутствуют в природе. Магнитные жидкости впервые синтезированы в середине 60-х гг. 20 в., их создание – получение наночастиц твёрдого магнитного материала, диспергирование его в жидкости-носителе и придание дисперсной системе агрегативной устойчивости – является одним из достижений нанотехнологий. Намагниченность $M$ концентрированных магнитных жидкостей достигает примерно 100 кА/м в магнитных полях напряжённостью $H \approx 80$ кА/м; при этом их вязкость близка к вязкости жидкости-носителя и почти не зависит от величины $H$.

В качестве дисперсной среды обычно используют магнетит $\text{Fe}_{3}\text{O}_{4}$, железо, кобальт, ферриты-шпинели. Наиболее распространены магнитные жидкости на основе магнетита, диспергированного в углеводородных, кремнийорганических жидкостях и воде. Рис. 1. Наночастица в неполярном растворителе (а), в полярном растворителе (б).Рис. 1. Наночастица в неполярном растворителе (а), в полярном растворителе (б).Для предотвращения слипания (агрегации) под влиянием магнитного взаимодействия частицы покрываются одним или двумя мономолекулярными слоями поверхностно-активного вещества (олеиновая кислота, олеат натрия). В неполярных жидкостях (масло, керосин, додекан, октан и т. д.) на магнитные наночастицы наносится один слой молекул олеиновой кислоты (рис. 1, а). Устойчивость диспергированных частиц в полярной жидкости, например в воде, достигается нанесением двух слоёв поверхностно-активного вещества: первый слой состоит из молекул олеиновой кислоты, второй – из молекул олеата натрия (рис. 1, б). Однако из-за увеличения толщины стабилизирующей оболочки намагниченность насыщения у них значительно уменьшается.

Физические свойства магнитных жидкостей

При среднем диаметре частиц магнетита 10 нм их магнитный момент приблизительно равен $2,5 \cdot 10^{–19}$ А·м², т. е. составляет порядка $10^4$ атомных магнитных моментов. Совершая беспорядочное тепловое вращение, частицы поворачиваются на большой угол за время броуновского вращения порядка 1 мкс при вязкости жидкости-носителя $10^{–2}$ Па·с. Столь малые частицы удерживаются тепловым броуновским движением в объёме жидкости в течение длительного времени, достаточного для решения многих практических задач. Высокую устойчивость магнитные жидкости проявляют и в магнитных полях с сильной неоднородностью. Динамика намагничивания магнитной жидкости определяется двумя механизмами ориентации магнитных моментов ферромагнитных частиц вдоль магнитного поля, каждый из которых характеризуется своим временем релаксации. Один механизм связан с броуновским вращательным движением в жидкой матрице (броуновская релаксация), другой – обусловлен тепловыми флуктуациями момента внутри самой частицы (неелевская релаксация). Кривая зависимости статического намагничивания $M(H)$ магнитных жидкостей имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков. В научной литературе за магнитными жидкостями закрепилось название суперпарамагнетиков.

Численное значение начальной магнитной восприимчивости $\chi$ концентрированной магнитной жидкости (объёмная концентрация магнетита $\sim 0,2$) при комнатной температуре достигает 10, что в тысячи раз превышает восприимчивость обычных жидкостей. С повышением температуры $T$ величина $\chi$ уменьшается. При приближении температуры к точке Кюри $T_{\text{C}}$ магнетика, из которого приготовлен коллоид, его спонтанная намагниченность тоже проявляет заметную температурную зависимость. Нагревая магнитную жидкость выше $T_{\text{C}}$, можно существенно уменьшить её магнитную восприимчивость, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои магнитной жидкости с $T < T_{\text{C}}$ обладают повышенной магнитной восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя слои с $T > T_{\text{C}}$. Термомагнитная конвекция по интенсивности может во много раз превосходить гравитационную конвекцию.

В электрических или магнитных полях магнитные жидкости проявляют анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптических свойств: двойное лучепреломление, анизотропию рассеяния, дихроизм. Эти эффекты в основном связаны с ориентацией вдоль внешнего магнитного или электрического поля агрегатов коллоидных частиц. Величины электро- и магнитооптических эффектов в магнитных жидкостях примерно на 6 порядков превосходят аналогичные величины в обычных жидкостях. При определённом соотношении напряжённостей электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно друг другу, наблюдается эффект компенсации оптической анизотропии, который используется для визуализации электростатических полей.

Магнитные жидкости – практически непрозрачные жидкости. Опыты на просвечивание возможны либо в случае малой толщины слоя (порядка 10 мкм), либо в случае малой концентрации ($\le 10^{–2}$) при толщине слоя порядка 1 мм.

В магнитных жидкостях достаточно хорошо распространяются звуковые волны. Присутствие твёрдых наночастиц обусловливает изменение плотности и сжимаемости дисперсной системы, а также появление специфического для микронеоднородной среды процесса внутреннего теплообмена. Для магнитных жидкостей на основе органических и кремнийорганических жидкостей преобладающее влияние на изменение скорости оказывает фактор плотности; с увеличением плотности магнитной жидкости примерно в 2 раза скорость звука уменьшается на 15–20 % по сравнению со скоростью в жидкости-носителе. Наложение магнитного поля на агрегативно устойчивые магнитные жидкости приводит к незначительным изменениям скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука; так, приращение скорости не превышает 1–2 м/с.

Применение магнитных жидкостей

При распространении в намагниченной магнитной жидкости звуковой волны происходит модуляция магнитной индукции, которую можно зафиксировать катушкой индуктивности – акустомагнитный эффект. В этом эффекте проявляется ещё одно отличие магнитных жидкостей от твёрдых ферромагнетиков – относительно высокая сжимаемость среды. На основе акустомагнитного эффекта разработаны приёмники звуковых колебаний, позволившие создать эффективный метод исследования спектров колебаний системы «оболочка – жидкость», а также осуществлять акустогранулометрию частиц дисперсной фазы, т. е. измерение их размеров.

В неоднородном магнитном поле, изменяющемся во времени по периодическому закону, магнитная жидкость генерирует звуковые волны. Упругая деформация осуществляется в результате действия пондеромоторной силы, пропорциональной произведению намагниченности магнитной жидкости на градиент магнитного поля и направленной вдоль этого градиента. Действие пондеромоторной силы используется во многих устройствах.Рис. 2. Конструкция простейшего магнитожидкостного герметизатора: 1 – кольцевой магнит, 2 – полюсные наконечники, 3 – вал из магнитного материала, 4 – магнитная жидкость.Рис. 2. Конструкция простейшего магнитожидкостного герметизатора: 1 – кольцевой магнит, 2 – полюсные наконечники, 3 – вал из магнитного материала, 4 – магнитная жидкость.

1. Магнитожидкостные герметизаторы, которые предназначены для обеспечения герметизации валов, совершающих вращательное движение в средах с перепадом давлений или в средах с различными веществами. Впервые они были применены в космических технологиях, а в настоящее время широко используются в различных сферах машиностроения. Конструкция простейшего магнитожидкостного герметизатора схематически показана на рис. 2. К кольцевому магниту 1 присоединены полюсные наконечники 2, охватывающие вал из магнитного материала 3. В зазоры между полюсными наконечниками и валом вводится капля магнитной жидкости, которая, находясь в сильном неоднородном магнитном поле, удерживает перепад давлений газа по обе стороны вала при его свободном вращении.

2. Акустические динамики с магнитной жидкостью (рис. 3). Межполюсной зазор 1, в котором кольцевым магнитом 2 создаётся сильное магнитное поле, заполняется магнитной жидкостью 3. В результате этого основной функциональный элемент динамика – катушка индуктивности 4, связанная с диффузором 5, фактически «плавает» в жидкости. В данном случае магнитная жидкость выполняет роль теплоотводящего элемента и акустической контактной смазки, что позволяет значительно расширить динамический диапазон акустического динамика и его амплитудно-частотную характеристику. Удерживаясь неоднородным магнитным полем, капля магнитной жидкости существенно повышает качество воспроизведения звука.

3. Сепарация немагнитных материалов. Следствием действия пондеромоторной силы является эффект магнитной левитации. На немагнитные тела, помещённые в магнитную жидкость, находящуюся в неоднородном магнитное поле с градиентом напряжённости, направленным вдоль силы тяжести, действует дополнительная выталкивающая сила, которая может значительно превосходить вес жидкости в объёме тела. Рис. 3. Конструкция акустического динамика: 1 – межполюсной зазор, 2 – кольцевой магнит, 3 – магнитная жидкость, 4 – катушка индуктивности, 5 – диффузор.Рис. 3. Конструкция акустического динамика: 1 – межполюсной зазор, 2 – кольцевой магнит, 3 – магнитная жидкость, 4 – катушка индуктивности, 5 – диффузор.На этом эффекте основан принцип действия сепараторов цветных металлов и других немагнитных материалов. Данный метод экономически наиболее предпочтителен при сепарации немагнитных частиц цветных (дорогостоящих) металлов и минералов.

4. Датчики уровня и угла наклона. Применение магнитных жидкостей в качестве активных элементов в датчиках уровня и угла наклона позволяет, во-первых, использовать простой и надёжный способ электромагнитной индикации, а во-вторых, значительно повысить точность измерений.

5. Магнитно-жидкостная смазка. При помощи магнитного поля можно удерживать магнитную жидкость, выполняющую роль смазки, в зоне контакта трущихся поверхностей. В этом случае резко сокращается расход смазки и число остановок механизма.

6. Охлаждение трансформаторов. По отводу теплоты термомагнитная конвекция значительно превышает естественную конвекцию, поэтому применение магнитных жидкостей в качестве теплоотводящего элемента эффективно в устройствах, технологически наделённых сильными магнитными полями. В частности, замена в мощных трансформаторах обычного трансформаторного масла на магнитную жидкость, приготовленную на основе того же масла, существенно увеличивает допустимую мощность.

7. Очистка производственных сточных вод от нефтепродуктов – важная экологическая проблема. Магнитная жидкость на керосине растворяется в нефтепродуктах, превращая их в магнитную жидкость с малой концентрацией. Получаемые растворы собираются магнитной «ловушкой», после чего при помощи сильно неоднородного магнитного поля осуществляется отделение нефтепродуктов от магнитной жидкости.

Рис. 4. Захват и транспорт воздушной полости в магнитной жидкости. Фото из диссертации: Ряполов П. А. Магнитожидкостные системы при магнитных и акустических воздействиях. Курск, 2021.Рис. 4. Захват и транспорт воздушной полости в магнитной жидкости. Фото из диссертации: Ряполов П. А. Магнитожидкостные системы при магнитных и акустических воздействиях. Курск, 2021.Кроме того, магнитные жидкости используют в механотронике в качестве магнитоуправляемой среды, что обусловлено формированием магнитогидродинамических потоков магнитной жидкости с помощью изменяющегося магнитного поля. Примером может служить привод для расположения изготавливаемых деталей на 3D-принтере, принцип действия которого основан на магнитной левитации немагнитного тела, погружённого в магнитную жидкость. Другой пример – захват и транспорт воздушной полости в магнитной жидкости. Для проведения визуальной демонстрации используется слой магнитной жидкости толщиной 2 мм, заполняющей прозрачный пенал, и боковая подсветка. Результаты показаны на рис. 4. Под воздействием перемещающегося неоднородного магнитного поля на верхней торцевой поверхности слоя магнитной жидкости образуется воздушная лунка с перешейком (рис. 4, а). Затем происходит сужение перешейка (рис. 4, б), после чего отделяется воздушная полость (рис. 4, в). Вопреки закону Архимеда воздушная полость удерживается на каком-либо уровне или упирается в преграду и дробится на мелкие пузырьки. По частоте модуляции магнитного поля колеблющимся пузырьком можно с большой точностью определить его размер, что существенно при конструировании прецизионных счётчиков и дозаторов газа, используемых в химико-технологическом производстве и фармацевтике.