Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Известны два пути получения частиц таких размеров: нзмельченне грубодисперсных частиц и выращивание их из молекулярного состояния до коллоидного размера. В соответствии с этим все известные методы получения коллоидных систем можно разделить на два больших класса: методы диспергирования и методы конденсации. В обоих случаях диспергирование или конденсацию продолжают до тех пор, пока не будет достигнут желаемый размер коллоидной частицы. Вспомним, как ломают металлическую проволоку, когда под рукой нет кусачек.
При многократном сгибании и разгибании проволоки на ее поверхности возникают микро- трещины, которые понижают прочность мате- риала и в конечном счете приводят к желаемому результату. Методы диспергирования основаны на этом же принципе периодической деформации материала частицы, только способы создания нагрузки другие. Наиболее распространенными считаются ударные, режущие, скалывающие, истирающие нагрузки в шаровых, дисковых, вибрационных и других мельницах.
Можно использовать также воздействие ультразвуковых колебаний, высоковольтного электрического разряда в жидкой основе и т. д. Мы не будем подробно рассматривать эти методы, потому что они трудоемки, непроизводительны и уступают методам конденсации по степени дисперсности получаемых частиц.
Что лежит в основе конденсационных методов? Есть такое понятие: зародыш. Применительно к выращиванию кристаллов это слово обозначает некоторый центр, с которого начинается рост кристалла. Зародышем может стать любая неоднородность: пылинка, неровность на поверхности, инородный атом.
Зародыши «собирают» вокруг себя ионы и молекулы из раствора и, постепенно увеличиваясь в размере, вырастают в настоящий кристалл. Как быть, если мы хотим получить много кристалликов одинакового размера? Нужно создать такие условия, при которых зародыши возникали бы быстрее, чем успевают расти кристаллы, в противном случае кристаллов вырастет мало, к тому же они будут существенно отличаться друг от друга размерами: ведь «старые» кристаллы намного опередят «молодых» в своем росте. Словом, вырастить кристаллы-близнецы непроста; нельзя забывать и о том, что на их рост влияет множество сильного поля.
Так как в ! см~ магнитной жидкости содержится порядка !О" таких частиц, то сила, действующая на каждую частицу, передается вязким трением прилегающим слоям жидкости, и весь объем раствора движется в область сильных полей как одно целое. Чтобы представить себе яснее величину 1О", проделаем такой мысленный опыт. Предположим, мы имеем возможность каждую секунду извлекать из 1 см' магнитной жидкости одну магнитную частицу.
За какое время мы сумеем сделать этот объем немагнитным, т. е. вытащить все микроскопические постоянные магниты? Простой подсчет дает такой результат: за один год мы извлечем приблизительно 3 10' частиц. Следовательно, нам понадобится 3 ° ! 0'е/! 0' = 3 ° 109 = 3 миллиарда лет. Поскольку время нашего опыта соизмеримо с временем перехода Солнца в стадию красного карлика, придется отказаться от него. НЕМНОГО О САМОСТОЯТЕЛЬНОСТИ Коллоидные частицы в магнитной жидкости представляют собой крошечные магниты. По этой причине между ними действует еще одна сила взаимного притяжения (по сравнению с 131 молекулярной в обычных коллоидах).
Как ведут себя железные опилки, побывавшие в сильном магнитном поле? Они собираются группками, как толпа зевак на улице, в которой трудно различить черты отдельных людей. Силы, действующие между этими миниатюрными постоянными магнитами, нэпоминзнзт Взаимодействие между электрическими диполями с тем отличием, что здесь притягиваются разноименные магнитные полюсы, а не заряды.
Величина этой силы пропорциональна квадрату намагниченности М и кубу линейного размера частицы. Здесь и в дальнейшем мы для простоты предполагаем, что частицы имеют сферическую форму: электронно-микроскопические исследоВания магнитных жидкостей с магнетитом, полученным химическим путем, показали справедливость такого предположения. Уменьшая размер частицы, можно добиться того, чтобы энергия теплового движения, равная — ЙТ для сферической частицы (Й— 2 постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура), превышала энергию так называемого диполь-дипольного магнитного взаимодействия.
Мы опять приходим к проблеме измельчения частиц магнитного материала. Но этот процесс, как мы видели ранее, увеличивает удельную поверхность и, следовательно, свободную энергию всей системы. Так как в соответствии с известным законом природы система стремится занять положение с наименьшей энергией, то магнитная жидкость будет стремиться к равновесному состоянию с минимальной межфазной поверхностью, и частицы будут объединяться под действием молекулярного или магнитного притяжения, если нет факторов, затрудняющих нх деколлективизацию».
Вам нужно получить устойчивый магнитный коллоид? Найдите способ сделать поведение каждой частицы самостоятельнымм. Из различных механизмов стабилизации коллоидов для магнитных жидкостей наиболее подходящим оказалась адсорбция на частицах молекул поверхностно-активного вещества, добавляемого в жидкую основу в процессе проИЗводствэ маГнитнОГО коллоида. Поверхностно-активные вещества столь своеобразны по своим свойствам, что надо рассказать о них подробнее. Это главным образом органические соединения.
Молекулы у них обычно велики и состоят из двух частей. Одна охотно притягивается к поверхности частиц материала, снижая величину их поверхностной энергии, а другая имеет сродство к несущей среде. Такого рода молекулы мы приобретаем в хозяйственных магазинах, покупая мыло и синтетические стиральные порошки. Только они «чувствительны» к частицам жйрной грязи и прицепляются к ним своей длинной углеводородной цепью, подобной следующей: Н Н Н Н Н 1 ! — — — С вЂ” С— 1 1 1 1 Н Н Н Н Цепь эта, впрочем, не должна быть слишком велика, чтобы порошок хорошо растворял- ся в воде. Другие концы молекул выступают наружу и притягивают воду, облегчая ей доступ к частичкам жира, которые в конечном счете смываются в виде эмульсии (скопление мелких частиц жира, взвешенных в воде) .
В обычном мыле, например, на «водяном» конце молекулы расположен атом натрия, отделяющийся в воде в виде иона Ха" и притягивающий молекулы воды, которые, как мы уже знаем, несут разноименные электрические заряды. В изображении химика мыло приобретает следующий «нетоварный» вид: Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Я О ~434 ~Л ~~143 3 Н Н Н Н Я Н Н Н Н Я Н ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Другой, более технический пример применения поверхностно-активных веществ связан с отделением минералов от «пустой» породы.
Для этого породу, содержащую также и металлическую руду, размалывают и погружают в воду, содержащую специальные масла. Эти масла прилипают только к кусочкам руды и вместе с пузырьками воздуха, продуваемыми через суспензив (взвесь твердых частиц в жидкости), уносятся на поверхность, где руду и собирают. К смоченным водой кусочкам пустой породы воздушные пузырьки не пристают, «бесполезный» песок намокает и опускается на дно.
Такая схема обогащения руд, называемая флотацией, успешно применяется в горной промышленности. Вернемся к однодоменным частицам магнитного материала, которые для получения маг- нитного коллоида с заданными характеристиками должны быть взвешены в самых разнообразных жидкостях. Требования к жидкому носителю следуют из условий эксплуатации конкретного устройства с магнитной жидкостью. В дальнейшем мы уделим много внимания таким устройствам, а пока назовем лишь некоторые используемые жидкости: некоторые углеводороды, основу которых составляют углеводородные цепи, подобные изображенной на с. !33 (характеризуются низкой испаряемостью в глубоком вакууме); сложные эфиры, в которых углеродные цепи соединяются через кислородные «мостики» (сохраняют свойства жидкости при очень низких температурах); фторорганические (обладают химической совместимостью с такими агрессивными средами, как хлор, озон и т. п.); кремний- органические (характеризуются низкой испаряемостью и высокой температурой вскипания в вакууме); минеральные масла (обеспечивают смазывающий эффект между трущимися деталями); вода (откройте водопроводный кран, чтобы еще раз ознакомиться со свойствами воды) .
От магнитного материала зависят магнитные характеристики коллоида. Естественным было желание получить жидкости с железом или кобальтом, на магниченность насыщения которых выше, чем у других магнетиков. Расчет прост: чем выше намагниченность каждой частицы материала, тем меньше их должно содержаться в единичном объеме, чтобы получить одинаковую намагниченность жидкости, суммирующую все магнитные моменты частиц Мо = ~рМ,. Однако, как это часто бывает, 335 самый очевидный путь не оказался самым простым. Многочисленные работы по синтезированию магнитных жидкостей показали, что, используя материал с меньшей намагниченностью отдельного домена М~ (например, магнетит), можно получить такую же (и даже большую!) величину намагниченности путем значительного увеличения концентрации <р.
Приведем некоторые цифры для лучших жид- костей на кремнийорганической основе: Ре— М, = 1,72.10~ А/м, Мо — — 1,5 10' А/м; Со— М, = 1,51 ° !06 А/м,Мо =(0,8 — 1,0)!0~ А/м; РеэО~ — М, = 4,77 ° 10'А/м; Мо = 1,0 ° 10' А/м. Причина, по которой оказалось возможным достижение этих результатов, заключается в успешном выполнении очень важной процедуры при синтезе магнитных жидкостей, а именно в подборе хорошего поверхностно- активного вещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
