Р. Розенцвейг - Феррогидродинамика, страница 3

ПРЕДМЕТ ФЕРРОГИДРОДИНАМИКИ В феррогидродинамике изучается механика движения жидкостей под действием больших сил магнитной поляризации. Значительная часть данной книги посвящена тому, чтобы дать представление об эффектах, к которым приводят эти силы. Разумно с самого начала подчеркнуть разницу между феррогидродинамикой и относительно хорошо известной магнитной гидродинамикой. В МГД на объем жидкости действует сила Лоренца, появляющаяся, когда электрический ток течет под углом к направлению приложенного магнитного поля. Однако в ФГД в жидкости необязательно течет электрический ток, обычно его и нет.

Действующей силой в ФГД является поляризационная сила, которая возникает в намагничивающейся среде при наличии градиентов магнитного поля или поверхностей разрыва. 14 д Введение В ЭГД сила взаимодействия чаще всего обусловлена наличием свободных зарядов, на которые действуют электрические силы. Для сравнения укажем, что в ФГД свободный электрический заряд, как правило, отсутствует, а аналог электрического заряда — магнитный монополь — в природе не обнаружен.

Однако между ЭГД и ФГД обнаруживается аналогия, если провести сравнение с поведением электрически поляризующихся жидкостей без свободных зарядов в градиентном электрическом поле. Здесь главное отличие от ФГД состоит в величине эффекта, который для электрически поляризующихся сред обычно намного меньше. В этой книге затрагивается исключительно ФГД; для читателя, интересующегося ЭГД и МГД, в конце этой главы указаны прекрасные руководства для начального ознакомления. Феррогидродинамика начала развиваться в первой половине 1960-х гг.; исследования первоначально мотивировались задачей преобразования тепла в работу без механических движущихся частей. Однако с появлением коллоидных магнитных жидкостей (феррожидкостей) возникли идеи многих других применений этих чудесных жидкостей.

Многие из этих идей связаны с возможностью прямого управления положением магнитной жидкости и контроля ее поведения при помощи магнитного поля. Пример такого управления показан на фотографии рис. 1.1. Феррогидродинамика представляет интерес и сама по себе уже по причине уникальности жидкости с сильным магнитным взаимодействием. В результате действия внешних магнитных полей в магнитных жидкостях появляется целый ряд удивительных явлений. Сюда входит явление неустойчивости в ортогональном поле, которое приводит к образованию на поверхности жидкости картины из острых пиков; спонтанное образование в тонких слоях загадочных лабиринтных структур; появление во вращающихся полях объемных моментов сил и как следствие антисимметричных напряжений; необычная плавучесть тел, например самолевитация погруженного в жидкость магнита; увеличение конвективного охлаждения в магнитных жидкостях с зависимостью магнитного момента от температуры.

Основная задача этой книги — дать хорошее понимание предмета феррогидродинамики на основе механики сплошной среды, дополненной, где это необходимо, микроскопическим рассмотрением. Известные приложения магнитных жидкостей имеют широкий диапазон. В настоящее время производятся новые уплотнители валов без утечки, используемые в дисководах вычислительных машин (Ва(!еу, 1983), в вакуумных камерах со сквозным питанием при производстве полупроводников и других устройствах (Мозкоц 11г, 1975), а также уплотнители давления для компрессоров и воздуходувок ()(озепзхче(8', 1979а). Именно капля магнитной жидкости сделала возможными эти устрой- П.

Предмет феррогидродлкомики Рнс. 1.1. Магнитная жидкость в прозрачной пробирке; ее положение и форма определяются полем постоянных магнитов вне пробирки. (С разрешения Рота (11. А. Йо!11).) На вставке разъясняются обозначения в «простейшем примере», рассматриваемом в равд. 1.б. ства; без этой решаюгцей капли они бы не работали. Уже производятся громкоговорители с жидким охлаждением, в которых небольшое количество магнитной жидкости отводит тепло от 1. Введение катушек динамика (На!Ьаччау„1979). Это нововведение увеличивает мощность усилителя, которую катушки могут рассеять, и тем самым увеличивает максимальный уровень громкости динамика.

Магнитным полем можно вести капельку магнитной жидкости внутри организма, приводя связанное с ней лекарство в нужное место (Мог!1по!о е! а1., !982); частица магнитной жидкости служит меткой при неповреждающих измерениях кровообращения (Ь(е~чЬоччег, 1972). С другой стороны, большие количества магнитной жидкости требуются для процессов сепарации флотацией, в которых используется искусственное увеличение удельного веса магнитной жидкости под действием магнитного поля (Кохепзтче!д, 1979а).

Продемонстрирована возможность разделения таким способом смеси металлического лома из титана, алюминия и цинка (8Ь!шо!!хана е! а1., 1980; Гау, Яце!з, 1980), а также его пригодность для сортировки алмазов. Сейчас изучается одно особенно многообещающее приложение — использование чернил на магнитной жидкости для высокоскоростных, недорогих, бесшумных принтеров (Магцпо е! а1., !983). В одном варианте конструкции из маленького отверстия испускалось до !О' капелек в секунду, которые затем магнитным полем доводились до подложки, где формировали печатные знаки (КпЬп, Муегз, 1979). К другим приложениям магнитных жидкостей относятся визуализация магнитных доменов в сплавах и кристаллах (%о1!е, Мог!Ь, !974), производство магнитных энзимных материалов (Ае(е!з!е!п е! а1., 1979) и обездвижение микроорганизмов (В!гпЬашп, (.агззоп„1982).

Кроме того, большие и почти беспредельные области техники все еще открыты для поисков. Укажем еще, что в намагничивающихся псевдоожиженных слоях оказалось возможным исключить гидродинамическую неустойчивость, которая приводила к появлению пузырьков (Козепзюе(д, !979Ь). Получающиеся таким образом псевдоожиженные слои в отличие от обычных слоев совершенно не имеют возвратного перемешивания частиц и обходного прохода газа. Такие слои иллюстрируют новый тип контактора жидкость— твердые частицы, который сейчас интенсивно изучается для многих приложений, включая каталитические реакторы, процессы сепарации и выборочной фильтрации ((.пссЬез! е! а1., 1979).

Псевдоожиженные слои из магнитных частиц ведут себя как некоторый новый тип магнитной жидкости. Для понимания природы магнитных эффектов в разных магнитных жидкостях нужно иметь представление об объемных магнитных материалах, состоящих из большого числа доменов, и об однодоменных магнитных частицах. Поэтому в следующем разделе приводятся необходимые сведения о магнитных материалах.

После этого будут приведены некоторые соотношения !7 д2. Ферромагнитные материалы из теории электромагнетизма и механики сплошной среды, которые будут основой для остальной части этой книги. 1.2. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Ферромагнитные материалы состоят из доменов — областей, в которых магнитные моменты отдельных атомов ориентированы в одном фиксированном направлении. Существование доменов было впервые постулировано Пьером Вейсом в !907 г. Доменная структура одного кристалла и поликристаллического (с) (а) (Ь) Рнс. 1ль Ферромагнитная доменная структура в одном кристалле (а).

поликристаллическом материале (Ь) и однодоменной частице (с). Стенки кристаллов обозначены сплошными линиями, стенки доменов †штриховы. материала изображена на рис. 1.2, где штриховые линии обозначают стенки доменов, а сплошные линии — границы кристаллов. Если говорить только по существу, то ферромагнитный материал разбивается на домены, чтобы минимизировать энергию поля, которая была бы очень большой, если материал был весь намагничен в одном направлении.

Однако вещество не может делиться на домены бесконечно, так как для создания доменных стенок, разделяющих домены„требуется энергия. Доменная структура на рис. !.2 показана очень упрощенно. В действительности изменение направления вектора магнитного момента постепенное и происходит на протяжении -100 атомов.

Природа явления ферромагнетизма в целом теоретически не прояснилась полностью до !928 г., когда Вернер Гейзенберг наконец не объяснил ее на основе только что разработанной квантовой механики. Согласно квантовой механике, молекулярное поле создается преимущественно магнитными моментами спинов. Гейзенберг показал, что при перемене расположения спинов соседних атомов с параллельной ориентации на антипараллельную происходит соответствующее изменение распределения электронного заряда в атомах,и электростатическая энергия системы становится другой.

В некоторых случаях параллельная ориентация спинов энергетически более выгодна; это и 1. Введение !8 есть тот случай, который известен как ферромагнетизм. Подробное обсуждение теории магнетизма не входит в рамки этого введения; ограничимся простой сводкой некоторых нужных нам аспектов теории магнетизма.

В табл. 1.1 для удобства собраны некоторые сведения, необходимые для понимания последуюгцих разделов этой книги. Таблица 1.1. Разные типы магнетизма. Коллоидные магнитные жидкости — суперпарамагнетики Ферромаг- нетизм Антиферро- магнетизм Ферримаг- нетнзм Парамаг- иетизм о Диамагне- Нет дальней корреляции; намагниченность направлена и к1 тизм против магнитного поля Свойство ферромагнетнзма проявляют железо, никель, кобальт и многие их сплавы, некоторые редкоземельные элементы такие, как гадолиний, и некоторые интерметаллические соединения, такие, как золото†ванадий. Ферромагнитное упорядочение спинов исчезает при температуре Кюри О.

В антиферромагнитных материалах при любой температуре нет суммарного магнитного момента. Антиферромагнитное упорядочение исчезает к о о й к с\. ~О о О к ь о к о Магнитные моменты атомов направлены в одну сторону Направление магнитных моментов атомов чередуется Чередование направления магнитных моментов атомов с неравной величиной Нет дальней корреляции; намагниченность направлена вдоль приложенного магнитного поля 19 дэ. Магнитные исидности при температуре Нееля. Свойство антиферромагнетизма имеют МпО, РеО, %0, РеС!в Мп8е и многие другие соединения. Суммарный магнитный момент ферримагнитных материалов меньше, чем у типичных ферромагнетиков. Ферримагнетизм проявляют ферриты с обшей формулой МО РеиОг, где М заменяет Ре, %, Мп, Сц, Мд.

Наиболее хорошо известным ферритом является магнетит, имеющий состав Рег04 и кристаллизующийся в кубической системе. Дополнительные примеры ферримагнитных материалов дают гексагональные ферриты и гранаты — диэлектрики, кристаллизующиеся в кубической системе и состоящие из атомов железа, других металлов и атомов кислорода.

Свойство паралагнетизгга связано с тенденцией молекулярных магнитных моментов вещества выстроиться вдоль приложенного магнитного поля, но при отсутствии их дальней корреляции. Это свойство имеют жидкий кислород, растворы солей редкоземельных элементов, ферромагнетики при температуре выше точки Кюри и многие другие вещества. Диамагнетизм— наиболее слабое магнитное свойство, проявляющееся заметно только у веществ с заполненными электронными оболочками. Диамагнитны инертные газы, многие металлы, большинство не- металлов и многие органические соединения.