В.Е. Фертман - Магнитные жидкости (1163283), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Родоначальником этих так называемых магнитореологических суспензий можно считать изучавшуюся в начале 50-х годов взвесь ферромагнитных частиц (чаще всего порошка карбоннльного железа) в минеральных или кремнийорганических маслах 1211. Этот состав предназначался для создания управляемых магнитным полем муфт, тормозов и амортизаторов, которые, однако, не получили широкого распространения из-за отсутствия устойчивости после выключения магнитного поля; крупнодисперсные частицы железа со средним размером 10 мкм оседали в жидкой основе под действием силы тяжести.
Расслоение жидкой и твердой фаз приводило к нестабильности технических характеристик разработанных устройств. Новый этап исследования суспензий ферромагнитных частиц размером около 1 мкм в высоковязких основах начался в конце 60-х годов. При создании магнитореологических суспензий творчески использовался опыт, накопленный при производстве магнитных жидкостей. В результате удалось получить суспензии, обладающие достаточной устойчивостью. Воздействие магнитного поля на гидродинамику этих сред осуществляется благодаря вязкости, которая может увеличиваться на порядки вследствие роста магнитного взаимодействия частиц [221. Энергия взаимодействия частиц намного превышает энергию тепловых флуктуаций, что обусловливает образование пространственного структурного каркаса из твердых частиц.
В магнитных жидкостях броуновская вращательная диффузия диспергированных частиц снижает степень их агрегатирования. Кроме того, при броуновской диффузии частиц осуществляется передача жидкой основе сил и моментов сил, дейст- вующих на частицы со стороны поля. В результате этих процессов появляются новые возможности управления гидродинамнкой. Можно сказать, что среди известных дисперсных систем только в магнитных жидкостях дисперсная фаза представляет активнь|й элемент, передающий действующие силы всей системе в целом.
Начальному периоду развития науки о магнитных жидкостях соответствует идеализированная физико-математическая модель, описывающая поведение однофазной изатропной жидкости, время релаксации намагниченности которой полагалось равным нулю. Однако реальные магнитные жидкости проявляли такие свойства, которые совсем не вписывались в столь заманчивое представление о магнитной жидкости как о жидком магнетике с «размазанной» по всему объему намагниченностшо. Другая особенность этого объекта связана с его искусственным происхождением: характеристики магнитной жидкости во многом зависят от условий ее получения.
Многолетний повышенный интерес к магнитным жидкостям со стороны теоретиков н экспериментаторов, перспектива их широкого использования привели к тому, что к настоящему времени наука о магнитных жидкостях стала самостоятельной, чрезвычайно интересной и практически полезной областью исследований, находящейся на стыке физической химии коллоидов, физики магнитных явлений н магнитной гидродинамики. 1. МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ КАК КОЛЛОИДНАЯ СИСТЕМА С МАГН ИТН ЫМ И ЧАСТИЦАМИ ЕЕ УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Коллоидными называют дисперсные системы, в которых мельчайшие твердые частицы распределены в твердой, жидкой или газообразной основе.
Такие системы характеризуются развитой удельной поверхностью и соответственно большой свободной поверхностной энергией. Поэтому в коллоидных системах легко протекают процессы, сопровождающиеся понижением поверхностной энергии (образование агрегатов из частиц, адсорбция молекул и ионов на поверхности частиц и т.
и.). Эти процессы могут нарушить устойчивость коллоидной системы. Различают два вида устойчивости коллоидных систем: ссдиментационную, связанную с оседанием твердых частиц в силовых полях (силы тяжести, центробежной силы) без слипаиия, и агрегативную устойчивость к объединению частиц между собой, со временем приводящему к уменьшению числа частиц в единичном объеме. Из условия равенства энергии гравитационного осаждения частицы и энергии ее броуновского теплового движения можно найти верхнюю границу размера частиц, при котором обеспечивается седиментационная устойчивость коллондной системы в поле силы тяжести: (1.2) 9 (бр) Уйй = 'лТ, (1.1) где бр=р,— р~ — разность плотностей твердой и жидкой фаз, кг/м', У=пб(б/6 — объем сферической частицы диаметром д, м', д — ускорение свободного падения, м/с', 1.
— высота слоя жидкости, на которой число частиц в единице объема уменыпается в е раз (-3 раза) по сравнению с концентрацией частиц в слое на дне сосуда (так называемая гипсометрическая яысота), м; й= = 1,3807.10 †Дж/К вЂ” постоянная Больцмана; Т вЂ” температура, К. Из соотношения (1.1) находим б (Р бТббббб ббббббб. Рассматриваемая система содержит коллоидные частицы магнитного материала, каждая из которых вдали от температуры Кюри имеет постоянный магнитный момент, пропорциональный объему частицы: гп=М,Р. Здесь М, намагниченность иасышения магнитного материала. Поэтому однородное магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц вдоль силовых линий поля, упорядочивая расположение твердых частиц в жидкой основе.
В неоднородном магнитном поле на каждую частицу будет действовать также сила /„=рэгптуН, направленная в область сильного поля. В то же время тепловое броуновское движение может обеспечить приблизительно равномерное распределение частиц по объему, если йТ)рлМ,НЪ'.
Здесь цс=4я.10-т Гн/м — магнитная про",т ' Г= —.ЮИЮЛу"" тг подя. Приведенное неравенство соответствует случаю, когда часть единичного объема жидкости находится в области Н=О. Из этого неравенства получаем выражение для определения максимального размера магнитных частиц в седиментационно устойчивой дисперсии: д» (р' 6лТ/(лроМ,Н). (1.3) Сравнивая выражения (1.2) и (1.3), видим, что максимальный размер частиц зависит от соотношения между действием гравитационного и магнитного полей. Сделаем оценку отношения (Лр)д/./(рай(,,Н) для одиночной магнетитовой частицы и типичного керамического постоянного магнита из феррита бария (М,=4,78Х Х10з А/м, Н=80 кА/м, 1=25 'С) для значений параметров /.=0,08 м, Лр=р, — р„=4230 кг/мз, д=9,8 м/с~: ( Р) ЯЯ -0 08 иоЛ4зН Следовательно, для указанных параметров верхняя граница размера частицы находится из условия равенства тепловой и магнитной энергии: г(=5,5 нм. Эта оценка получена для монодисперсных сферических частиц, которые не взаимодействуют друг с другом.
Прн этом предположении оседание дисперсных частиц в гравитационном н неоднородном магнитном полях отсутствует, если энергия броуновского теплового движения преобладает над энергией гравитационной и магнитной седиментации частицы. 10 Коагуляция (слипание твердых частиц) происходит под действием ван-дер-ваальсовых сил притяжения между частицами при достаточном их сближении. Силы притяжения между дисперсными частицами возникают из-за взаимодействия электрических диполей в них (так называемые дисперсиониые силы). Ф.
Лондон (Г. )опдоп) (1930, 1937) рассчитал взаимодействие двух электриче- ЛШЫ,гУ"Мй Рис. 1.1 расстоянии 1 между ними энергия притяжения уменьша- ется пропорционально 1 — '. Х. Гамакер (Н, С. Нашайег) '(7937) получил соотношение для энергии взаимодейст- вия двух сфер одинакового диаметра ьй им,' аи Еи — — — — ' 9ро (т+ 2)з (1.5) 11 где 1=2з/1(; з — расстояние между поверхностями сфер; А — постоянная Гамакера, которая зависит от диэлектрических свойств частиц и жидкой основы и определяет уровень дисперсионных сил в данной системе. Из выражения (1.4) следует, что энергия притяжения твердых сфер при контакте (1-~-О) становится бесконечно большой н происходит слипаиие частиц. В то же время с увеличением расстояния между сферическими частицами энергия притяжения уменьшается, как и в модели Лондона, пропорционально 1-'.
В сильном магнитном поле магнитные моменты час.- тиц магнетика выстраиваются вдоль поля. При этом энергия притяжения частиц равна энергии взаимодействия двух точечных диполай: Агрегативная устойчивость коллоидных систем с магнитными частицами обеспечивается поверхностными адсорбционными слоями, препятствующими сближению частиц на такие расстояния, прн которых энергии притяжения будет больше, чем разупорядочивающая энергия теплового движении. Предположим, что при тепловом движении частиц наименьшее расстояние между их поверхностями равно Ф,а г+б хг ги ЮП Рис, 1.2 26, где 6 — толщина адсорбционного слоя, т. е.
отсутствует взаимодействие адсорбционных слоев. На рис. 1.1 хематически изображены две магнитные частицы, покрытые адсорбцнонными слоями. Молекулы поверхностно-активного вещества имеют полярную группу 1, связанную с поверхностью частицы физическим нли химическим способом. Длинноцепочечная хвостовая часть иолекулы 2, расположенная в жидкой основе, подвержена беспорядочному тепловому движению. Толщина адсорбционного слон 6 должна быть доста-очной для выполнения условия 1Е, + ЕД ~~ 'яТ.
(1.6) Это означает, что разупорядочивающее действие теплового движения препятствует слипанпю дисперсных частиц. С другой стороны„чрезмерное увеличение толщины адсорбционного слоя снижает объемное содержание магнитного материала и, соответственно, ограничивает максимальную величину намагниченности жидкости. Очевидно, что толщина слоя должна зависеть от температуры, размера частиц и их магнитных характеристик. На рис. 1.2 представлена зависимость величины ~Е,+ +Ев~/(яТ) для монодисперсных частиц магнетита Ре,О, сферической формы от толщины адсорбционного слоя 6 и диаметра частиц г( при их контакте (24).
Расчеты проводились для следующих параметров: М = дя8~~А~в А-10" Л; ЙТ=415.1О ' Д . 3 лись дискретные значения 6/ьй 1 — 0,1; 2 — 0,2; 3 — 0,4; 4 — 0,8. Граница ~ Е,+Е„~/(йТ) =1 разделяет области агрега тивно устойчивой магнитной жидкости и неустойчивой, дисперсная фаза в которой коагулирует при столкновении твердых частиц. Проанализируем зависимость Е, и Ел от размера частиц. Согласно соотношению (1.4), при контакте адсорбционных слоев Е, есть функция только отношения 6/д, в то время как Е„ зависит также и от и' (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
