Р. Розенцвейг - Феррогидродинамика

Ррозенцвейг Феррогидродинамика Перевод с английского В. В. Кирюшина под редакцией В. В. Гогосова Москва «Мир» 1989 ББК 22.253.3 Р64 УДК 533.9.01 15 В )ч) 5-03-000997-3 Монография известного американского ученого, охватывающая широкий круг вопросов поведения н динамики магнитных жидкостей. Книга на~асана на основе курса лекций; изложение ведется последовательно с нспользованнем основных понятна гндродннамнкн, злектромагнетнзма н термодинамики. Рассмотрены методы прнготовлення магнитных жидкостей, обсуждаются нх магнитные свойства, вопросы реологнн н термодинамики прн наложении магнитного поля, возникновение неустойчивости. Полученные теоретические результаты детально сравниваются с вкспернментальнымн.

Для научных работников, инженеров, аспирантов н студентов различных специальностей, математиков-прикладников, механиков, фнзнков, химиков. 1603040000-150 041(01)-89 ББК 22.253.3 Редакция литературы но математическим наукам © СащЬгйне ()и!тегз!!у Ргезз, 1985 ТЬ!з Ьоой тиаз опн!па11у рцЬИзЬеб !и 1Ье Еп51!зЬ !апнпане Ьу СагпЬПбае Пп!чегзиу Ргезз о! Сашйг!дне, Епн!апб © перевод на русский язык, с авторскнмн исправлениями, «Мнр», 1989 18ВН 5-03-000997-3 (русск.) 18ВХ 0-521-25624-0 (англ.) Розенцвейг Р. Р64 Феррогидродинамика: Пер.

с англ. — М.: Мир, 1989.— 356 с., ил. ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Книга известного американского ученого Рональда Розен- цвейга посвящена изложению основ нового направления в науке — физике и гидродинамике магнитных жидкостей. Прежде чем представить читателю книгу, целесообразно дать краткое представление о предмете, составляющем ее содержание,— о магнитных жидкостях.

Магнитных жидкостей в природе не существует — все известные жидкие и газообразные среды очень слабо взаимодействуют с магнитным полем. Тем не менее известны многочисленные примеры искусственно синтезированных жидких и дисперсных сред, взаимодействующих с магнитным полем из-за своей способности к намагничиванию. Получению таких сред, изучению их свойств и течений посвящено большое число исследований. Хорошо изучены амальгамы ферромагнитных металлов — растворы железа, кобальта и никеля в ртути, обладающие ферромагнитными свойствами. При малых концентрациях ферромагнитных частиц амальгамы представляют собой коллоидный раствор, величина намагниченности насыщения и магнитная восприимчивость которого пропорциональны концентрации частиц.

Известны работы по конструированию электромагнитных муфт и тормозов, принцип действия которых основан на свойствах жидкого или порошкообразного ферромагнитного наполнителя увеличивать под действием магнитного поля свою вязкость и «прилипать» к поверхностям магнитной системы. В качестве несущей жидкости использовалось минеральное или кремнийорганическое масло, в котором во взвешенном состоянии находились ферромагнитные частицы размером от 4 до 12 мкм в соотношении от 8 до 4 весовых частей железа на одну весовую часть жидкой фазы.

Основная причина, по которой амальгамы и взвеси не нашли применения в промышленности, заключается в их нестабильности — с течением времени ферромагнитные частицы выпадают в осадок. Так, срок службы ферромагнитных взвесей не превышает !00 — 150 часов; кроме того, даже в нерабочем состоянии муфты параметры взвеси со временем существенно изменяются.

Предисловие редактора оеревода Необходимо было создать жидкости, которые в течение долгого времени, порядка нескольких лет, сохраняли бы свои магнитные свойства, динамические и тепловые характеристики. В разных странах специалисты различными путями пришли к созданию таких магнитных жидкостей. В США работы в этой области начались в начале шестидесятых годов в связи с выполнением программы полета к Луне и выходом человека на лунную поверхность.

Одной из задач по обеспечению полета являлась задача о подаче топлива из баков ракеты в двигатели в условиях невесомости. Была высказана идея сделать топливо намагничивающимся и управлять им с помощью неоднородного магнитного поля. В решении этой задачи самое непосредственное участие принимал автор данной книги Рональд Розенцвейг, который в настоящее время известен своими работами по получению новых типов магнитных жидкостей, исследованию их свойств и течений, применению магнитных жидкостей в технике, задачам управления динамикой псевдоожиженных слоев с помощью магнитного поля.

Синтезированные магнитные жидкости представляют собой коллоидный раствор мелких — порядка !00 ангстрем — ферромагнитных частиц в жидкости-носителе. Каждая частица покрыта слоем поверхностно-активного вещества, предохраняющего частицы от слипаиия, препятствуя утяжелению частиц и выпадению их в осадок. В качестве жидкости-носителя в зависимости от назначения магнитных жидкостей можно использовать керосин, различного типа углеводороды, воду, кровезаменители и т. д. Прошло более двадцати пяти лет со дня получения стабильных магнитных жидкостей.

За это время учеными многих стран написано несколько тысяч работ о свойствах магнитных жидкостей, их движении, о взаимодействии магнитных жидкостей с магнитным и электрическим полем, о применении магнитных жидкостей в технике, биологии и медицине; зарегистрированы тысячи авторских свидетельств и патентов об устройствах и приборах различного назначения с использованием магнитных жидкостей. Широко ведутся работы по магнитным жидкостям в научноисследовательских институтах и университетах многих стран. Столь большой интерес к этой тематике связан с широкими возможностями использования этих жидкостей для разработок новых технологий, создания новых конструкций машин и приборов различного назначения.

В качестве примера такого типа устройств могут служить магнитожидкостные уплотнители — герметизирующие устройства. Представьте себе, что нужно вывести из кабины космиче- Предисловие редактора перевода ского корабля в космическое пространство вращающийся вал, к которому могут быть прикреплены различные приборы, например телескоп, фотоаппарат и т. д. В кабине корабля давление близко к атмосферному, снаружи корабля — разреженное пространство. Чтобы при вращении вала не было разгерметизации корабля, должна быть уплотняющая прокладка между валом и корпусом. Долгое время в качестве таких прокладок использовались специального типа резины, срок жизни которых при вращении вала ограничен. Использование магнитных жидкостей позволило продлить срок службы уплотнителей до нескольких лет. Идея состоит в следующем: вал делается магнитным, а между валом и корпусом помещается магнитная жидкость, которая удерживается магнитным полем и не вытекает при вращении вала. Такой уплотнитель позволяет держать перепад давления в несколько атмосфер.

Область использования уплотнителей необычайно широка. Это — химическая технология, когда нужно вводить внутрь специального типа контейнеров, например, с агрессивными средами, вращающийся вал, на котором укреплены мешалки. Это — вычислительная техника; по существу, за рубежом в компьютерах не только высокого класса, но и бытового назначения стоит уплотнитель с магнитной жидкостью (в основном, уплотнители используются в системах ввода магнитных дисков памяти). Это — энергетика, где используются сверхпроводящие материалы и необходимо поддерживать низкое давление и т.

д. Другая область приложений — магнитная смазка, магнитная жидкость, сделанная на основе смазочных материалов. При этом достаточно подмагнитить смазываемый узел и смазка не будет вытекать. Обычно, говоря о приложениях магнитных ждкостей, показывают простой эксперимент. В стакан с магнитной жидкостью погружено немагнитное тело, например золото, которое тяжелее жидкости и, разумеется, лежит на дне. Стакан внесен в неоднородное магнитное поле.

Тяжелое тело всплывает на поверхность магнитной жидкости. Объяснение очень простое. Магнитное поле, действуя на магнитную жидкость, создает в ней дополнительное давление, неоднородное по высоте. В результате на тело в дополнение к силе Архимеда действует сила, пропорциональная градиенту магнитного поля и намагниченности жидкости и направленная из области более сильного магнитного поля в область, где поле меньше. Этот эффект используется в сепараторах, рабочей средой которых является магнитная жидкость. В таких сепараторах могут разделяться тела, отличающиеся друг от друга по плотности, например можно отделять золото от пустой породы, в ломе цветных металлов выделять отдельно медь, бронзу и т.