Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Какие качества скрываются под расплывчатой характеристикой «хорошее»? Как мы уже знаем, длинные молекулы поверхностно-активного вещества должны хорошо адсорбироваться на поверхности твердой частицы и в то же время растворяться в несущей среде. Опять «хорошо»! Под этим подразумевается возможность образования слабых химических связей между материалом частицы и поверхностно-активным веществом (хемосорбция!), которые сильнее чисто адсорбционных (химическое взаимодействие противопоказано, так как в результате магнитный материал превращается в немагнитный).
Ведь нам нужно, чтобы магнитная жидкость сохраняла устойчивость, которая зависит от сохранности адсорбционного слоя на частицах при действии температуры, вибраций и других 136 факторов. Таким образом, «хорошее» поверхностно-активное вещество должно плотно прилипать к поверхности частиц из металлов или ИХ ОКИСЛОВ. Для магнетита нашелся очень хороший стабилизатор — олеиновая кислота, молекулы которой содержат функциональную группу СООН, «объединяющуюся» с магнетитом. Химическая формула олеиновой кислоты С18НЗ,СООН; она является «жирной кислотой», и кислотный конец ее молекулы имеет ВИД Расписывать ее инертную часть, содержащую 18 атомов углерода, мы не будем в целях экономии места.
Приведем только некоторые цифры: площадь поперечного сечения молекулы олеиновой кислоты составляет приблизительно 46 1О 2О м2, длина — около 2 нм. Для частиц железа и кобальта такого вещества подобрать не удалось, н их обычно стабилизируют набором высокомолекулярных органических соединений (включающим и олеиновую кислоту), которые варьируют в заВиси мости От сВОЙстВ жидкОГО носителя. Не думайте, однако, что с помощью олеиновой кислоты были решены окончательно проблемы стабилизации частиц магнетита во всем многообразии несущих сред: для фторорганических жидкостей, например, могут применя~ься только специальные вещества, называемые перфторированными углеводородами. Существует еще одно достоинство магнети- та как дисперсной фазы.
Его легко получить методом химической конденсации, сливая растворы РеС!р 4Н20 и РеС!з бН20. При выполнении некоторых дополнительных условий, хорошо известных химикам, в осадок выпадает магнитный Ре»О„отличающийся менедисперсностью (одинаковыми размерами) частиц со средним диаметром Ш ж !О нм, хорошими магнитными свойствами и, что особенно важно, хорошей адсорбционной способностью. Итак, процесс производства магнитной жидкости состоит из двух этапов: !) получение высокодисперсных частиц магнитного материала; 2) взвешивание их в жидкой основе с помощью специально подобранного поверхностно-активного вещества.
Эти операции взаимосвязаны, так как стабилизацию желательно вести в момент образования каллоидных частиц, чтобы сразу предотвратить возможность их слипания и защитить поверхность частиц от окисления. Количество используемого поверхностно-активного вещества должно быть достаточнь1М, чтобы все частицы имели собственную «шубу». Вот, пожалуй, все основные правила, которые соблюдаются при синтезе магнитных жидкостей. Полученный коллоид неплохо залить затем в центрифугу, вращающуюся с высокой скоростью, чтобы отделить наиболее крупные частицы и те, которые не сумели «облачиться в защитный наряд».
В результате магнитная жидкость будет иметь структуру, изображенную на рис. !8. Каждая частичка покрыта слоем поверхностно-активного вещества «толщиной» в одну молекулу. При сближении частиц «торчащие» концы молекул не позволяют 138 приблизиться им на расстояние, при котором энергия взаимного притяжения превысит энергию теплового движения. Обычно стабилизацию магнитных частиц проводят, добавляя определенное количество Рис. 18. Мономолекудярный слой на магнитных частицах. соответствующего поверхностно-активного вещества в небольшой объем носителя. В результате образуется магнитная паста, которая может быть затем растворена в любом количестве жидкого носителя, что позволяет плавно дозировать содержание твердой фазы в магнитном коллоиде.
Причем магнитный концентрат, как и хорошо известные пищевые концентраты, занимает при хранении мало места и в любой момент может быть заправлен в соответствующий «бульон». Нам осталось упомянуть о некоторых отработанных приемах в производстве магнитных 139 первичной магнитной жидкости выводят в осадок магнитные частицы без адсорбированного на них стабилизатора, который растворяется специальным агентом. После промывки и сушки чистые частицы переводят с помощью другого стабилизатора в новый носитель.
Кроме того, случай помог выявить интересную разновидность этого способа. Заменив стабилизатор, исследователь по ошибке стал проводить взвешивание частиц снова в первичной основе. Что же случилось? Такое, казалось бы, бессмысленное удлинение процесса привело к значительному улучшению характеристик первичной магнитной жидкости. Как видите, научная деятельность вовсе не ограничена жесткими рамками очевидной целесообразности и оставляет место для случая. РАВНЯЙСЬ, СМИРНО'. Естественно, что все отличия и преимущества магнитных жидкостей по сравнению с обычными коллоидами связаны с действием внешнего магнитного поля. Поместим малый объем магнитной жидкости (содержащей, как мы уже знаем, огромное число хаотически ориентированных микроскопических «магнит- ных стрелокэ) в однородное магнитное поле. Стрелки выравниваются в шеренги, совпадающие с силовыми линиями поля.
Но команду «СмирноЬ подавать рано, так как в строю наблюдаются какие-то колебания. Причина этого — тепловое движение. Энергия нарушителя порядка составляет ЬТ, а энергия взаимодействия мзГнитноГО момента частицы с ЛОлем равна тН. Чтобы охарактеризовать соотношение между ориентирующим действием поля и тепловыми возмущениями, вводят параметр тН/ЬТ. Под действием поля микроскопические магниты выстраиваются в определенном направлении, их элементарные магнитные поля складываются, и объем жидкости, как намагниченный твердый стержень, обладает магнитным моментом — намагниченностью.
Что можно сказать о ее величине1 Тепловое движение приводит к тому, что намагниченность жидкости оказывается несколько меньше, чем намагниченность твердого материала, содержащегося в единичном объеме. Однако с ростом приложенного поля наблюдается тенденция к насыщению, т. е. намагниченность жидкости перестает зависеть от поля и приближается к Мо = пт. Соотношение, описывающее равновесные магнитные свойства подобной системы частиц, было получено французским физиком Полем Ланжевеном для молекул парамагнитного газа. Эта зависимость оказалась справедливой и для взвешенных однодоменных частиц.
Правда, различие между этими системами существует, и состоит оно в большой величине магнитного момента каждой твердой частицы (появился даже термин «суперпарамагнетизмэ) и зави- 142 снмостн намагниченности домена от темпера туры. Каковы же механнзмы установления равновесной ориентации магнитных моментов после включения поля? Один нз ннх связан с тепловыми скачками магнитного момента ав в самой частице, если она достаточно мала. Как только энергия теплового движения станет сонзмернмой с энергетическим барьером, разделяющнм разные направления предпочти.тельного положения магнитного момента в кристалле, пронзойдет самепронзвольний поворот момента. Величина этого барьера составляет К,Е (К, — константа аннзотропнн кристалла; У вЂ” объем частицы). Если К,М/ЬТ окажется меньше единицы, то за очень короткое время (порядка 10 9 с) магнитный момент частицы выстроится по полю, т.
е. вращение магнитного момента йе сказывается на положеннн частицы. Путь для получения магнитных жидкостей очевиден: следует уменьшать объем частицы н выбирать магнитные крнсталлы с малой величиной К,. Теперь предположим, что магнитный момент жестко связан с телом частицы. Как говорят, он ивморожене ~~). Кроме того, евгена й ЙТ ниТное поле тоже не в силах ивращать» момент в частице: КвУ >> тН.
Но частица взвешена в жидкости н, сталкиваясь с ее молекулами, хаотически вращается н движется поступательно. Если наложить магнитное поле, намагев ннчнванне жидкости происходит именно в результате броуновского движения частиц. Следовательно, время, за которое установится равновесная ориентация магнитных моментов, Иэ примерно равняется времени, за которое коллоидная частица успевает повернуться в результате теплового движения.
Это время зависит от вязкости жидкой основы. Для жидкостей на основе керосина или воды оно составляет приблизительно 10 ' с. Как видите, система однодоменных частиц, взвешенных в жидком носителе, очень быстро намагничивается, и магнитный момент жидкости становится параллельным внешнему полю.
Мы рассмотрели процесс намагничивания покоящейся магнитной жидкости. Что изменится в случае движения жидкости? Для ответа на этот вопрос обратимся к течению вязкой жидкости. Выделим в объеме жидкости прямоугольную призму и предположим, что к верхней ее грани приложена постоянная сила Р, направленная вдоль нее. Под действием эгой силы самый верхний горизонтальный слой жидкости переместится на расстояние Л1 за промежуток времени Л1 — произойдет деформация призмы.
Скорость каждой частицы в этом слое равна Л1/Л1. Чем ближе к неподвижному основанив слой, тем ниже его скорость (меньше Л1). Если подобная картина справедлива для всего объема жидкости, то говорят, что он находится в состоянии одюродного сдвига (деформационное движение происходит по параллельным прямым). Относительное движение слоев жидкости в элементарной призме приводит прежде всего к внутреннему трению между ними.
Оно является причиной сопротивления действию внешней силы, поддерживающей стационарное течение жидкости, и называется вязкостью. Разговор о вязкости магнитной жидкости пойдет чуть позже, а пока для нас важно понять, что при однородном сдвиге каждая твердая частица закручивается потоком. Действительно, в рассмотренной выше жидкой призме скорость верхней части сферической частицы больше, чем нижней, и частица как бы «катится» вдоль границы между отдельными слоями жидкости. Если магнитный момент не связан с телом частицы, то движение жидкости никак не повлияет на выстраивание магнитных моментов в направлении внешнего поля.
А вот при «вмороженном» моменте течение жидкости может препятствовать установлению равновесной ориентации моментов. Это явление называется гидрОдинимическим размагничиваиием. Оно должно учитываться в тех устройствах, в которых течение магнитной жидкости происходит в узких зазорах и с очень высокой относительной скоростью между отдельными слоями. Такие устройства широко применяются в машиностроительной промышленности, и о них еще рассказ впереди. Мы уже упомянули об одной из важнейших характеристик жидкой среды — вязкости. Коэффициент сдвиговой вязкости т~ — это коэффициент пропорциональности между иапряжеиием (так называют отношение величины силы Е к площади поверхности) т на верхней границе жидкой призмы высотой Й и величиной оо/Ь, в которой оо = М/М вЂ” скорость перемещения верхней границы относительно неподвижной нижней. Соотношение '7 ~0 Ь справедливое для медленного течения простых однородных жидкостей и газов, называется )О Зай.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
