Ферромагнитная жидкость

• easy
• electromagnetism

Фото © Gregory F. Maxwell с сайта commons.wikimedia.org.

Необычный черный «ёжик» на фотографии — не что иное, как ферромагнитная жидкость. Капля феррожидкости лежит на стекле, под которым находится магнит (кубик на фото), имеет форму полусферы с колючками и больше напоминает твердое тело. «Колючая» форма оказывается энергетически выгодной для ферромагнитной жидкости, к которой приложено вертикальное магнитное поле. Если убрать магнит, то жидкость примет обычную форму. Как же объяснить это явление с точки зрения физики?

Наверное, каждый притягивал к магниту какие-нибудь предметы из железа. Мы привыкли, что в обычной жизни с магнитами взаимодействуют только некоторые вещества, называемые ферромагнетиками (например, железо, кобальт и никель). Оказывается, что это не так — с магнитным полем взаимодействуют вообще все тела, просто в быту магниты недостаточно сильные для того, чтобы это взаимодействие было заметным. Кроме ферромагнетиков есть еще диамагнетики и парамагнетики. Парамагнетики тоже притягиваются к магниту, как и ферромагнетики, а диамагнетики вообще отталкиваются от магнита. Правда, этот эффект в случае диа- и парамагнетиков не очень большой. Жидкости по своей природе являются диамагнетиками и парамагнетиками.

Взаимодействие различных веществ с магнитным полем характеризуется безразмерной величиной — магнитной восприимчивостью. Так вот, у жидкого кислорода — аномально сильного парамагнетика — магнитная восприимчивость при 90° Кельвина составляет всего лишь $3\times 10^{-4}$. Для сравнения, магнитная восприимчивость ферромагнетика может достигать нескольких сотен и даже тысяч. Таким образом, магнитные свойства жидкостей достаточно слабы. Считается, что жидкость не может быть ферромагнитной, потому что ферромагнетизм является свойством не только атомов, но и кристаллической структуры тела (а кристаллическая структура может быть только у твёрдого тела, но не у жидкости). Так, например, жидкое железо является не ферромагнетиком, а парамагнетиком. Это не доказывает, однако, что невозможно искусственно создать жидкость с ферромагнитными или просто очень сильными магнитными свойствами.

В 1963 году ученый из NASA Стив Папелл (Stephen Papell) работал над созданием жидкого ракетного топлива, которое можно было бы направить к топливному насосу в невесомости с помощью магнитного поля. Ему удалось получить жидкость с сильными магнитными свойствами — её магнитная восприимчивость в 10 тысяч раз превысила магнитную восприимчивость обычных парамагнетиков. Он назвал её ферромагнитной жидкостью, или феррофлюидом, или феррожидкостью, из-за того, что в составе используются ферромагнитные частицы. Название оказалось не очень удачным, потому что ферромагнитная жидкость является не ферромагнетиком, а сильным парамагнетиком, так как не обладает остаточной намагниченностью (способностью сохранять внутри себя магнитное поле после того, как убрали внешнее поле, которое и намагнитило вещество).

Создатель ферромагнитной жидкости Стив Папелл. Фото с сайта nasa.gov

Чтобы создать феррожидкость, Стив Папелл приготовил коллоидную систему из мельчайших частиц магнетита, взвешенных в смеси олеиновой кислоты и органических растворителей. Магнетит механически измельчался в шаровых мельницах, и полученная магнетитовая пудра (размеры частиц магнетита составляли всего пару нанометров) смешивалась с жидкой основой (Папелл использовал керосин) и поверхностно-активным веществом (олеиновой кислотой). В составе ферромагнитной жидкости около 85% объема занимала несущая жидкость (органический растворитель), 10% — поверхностно-активное вещество и всего 5% — ферромагнитные частицы. Поверхностно-активное вещество образовывало на поверхности магнитных частиц пленку, не поволяющую им слипаться из-за притяжения друг к другу. Из-за небольшого размера ферромагнитные частицы они не выпадали в осадок, так как скорость оседания частиц на дно была сравнима со скоростью их хаотического броуновского движения. В результате получилась жидкость, в которой равномерно по объему были распределены магнитные частицы, не выпадающие в осадок и не слипающиеся между собой.

Если налить немного феррожидкости на плоскую тарелку, взять обычный магнит и начать подносить его снизу к тарелке, то можно пронаблюдать интересное и красивое явление. По мере приближения магнита на поверхности феррожидкости появляется рябь. Если внешнее магнитное поле достаточно сильное, то рябь превращается в периодическую пикообразную структуру на поверхности, которая называется неустойчивостью Розенцвейга (как раз она и продемонстрирована на основном фото). Из-за высокой магнитной восприимчивости ферромагнитной жидкости добиться образования пиков можно с помощью обычного стержневого магнита с магнитным полем порядка 0,1 Тесла.

В феррожидкости, как в воде или другой жидкости, может произойти флуктуация, в результате которой на поверхности образуется микроскопический бугорок — часть молекул «вылезет» за равновесную форму. Но в обычной жидкости такие флуктуации подавлены: поверхностное натяжение притянет «вылезшие» частички жидкости назад. Когда ферромагнитную жидкость помещают в магнитное поле, то из-за магнитного взаимодействия такие флуктуации не будут исчезать — наоборот, жидкость в месте «бугорка» соберется в пик, направленный вдоль силовой линии магнитного поля. Происходит это из-за того, что частицы взвеси в магнитном поле, каждая из которых представляет собой магнит с северным и южным полюсом, стремятся развернуться вдоль силовых линий поля. Разворачиваясь вдоль поля, они притягиваются друг к другу: северный полюс одной частицы к южному полюсу другой. Это очень напоминает школьный эксперимент с железными опилками, которые выстраиваются вдоль магнитного поля (см. рисунок ниже). Когда появляется флуктуация на поверхности феррожидкости, то напряженность магнитного поля вблизи образовавшегося горба увеличивается, так как линии магнитного поля сгущаются. На впадинах напряженность, наоборот, уменьшается по сравнению с равновесным значением. Частицы, «вылезшие» за равновесную форму в результате флуктуации, утянут за собой своих соседей, сцепленных с ними разноименными полюсами. Таким образом, возмущение силы со стороны магнитного поля направлено наверх на горбах и вниз на впадинах, и оно стремится увеличить смещение частиц. В итоге получается, что для феррожидкости в магнитном поле наиболее энергитически наиболее выгодно «шипастое» состояние. Чем больше величина поля, которое прикладывают к феррожидкости, тем выше и тоньше образуются пики. Если убрать магнитное поле, то перед нами будет обыкновенная жидкость с частицами ферромагнетика.

Пики в феррожидкости и силы, действующие на частицы в пике: гравитация (синие стрелки), поверхностное натяжение (обозначено красным) и магнитное притяжение частиц друг к другу (черные стрелки). Картинка с сайта ferrofluids.today

Слева: железные опилки на листе бумаги ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля, картинка с сайта wikimedia.commons. Справа: пики ферромагнитной жидкости ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля, рисунок с сайта ferrofluids.today

Несмотря на то, что вместо феррофлюида в NASA решили использовать твердое ракетное топливо, эта необычная жидкость всё равно нашла применение. Например, в NASA исследуется возможность использования феррожидкости для стабилизации в магнитных подшипниках. Магнитное поле воздействует на ферромагнитную жидкость, изменяя её момент импульса и влияя на вращение, за счёт чего и происходит стабилизация.

Ферромагнитную жидкость применяют не только в аэрокосмической промышленности, но и в более приземленных областях. С 1970-х годов ферромагнитную жидкость используют для охлаждения в динамиках. Звуковая катушка выделяет тепло, и для производительности и долговечности динамиков важно охлаждать ее. Для этого используется феррожидкость, которая, удерживаясь магнитным полем, занимает зазор вокруг звуковой катушки. Магнитные свойства феррожидкости ослабевают с увеличением температуры: тепловое движение молекул становится интенсивнее, и оно мешает парамагнитным молекулам выстраиваться вдоль поля. Поэтому более горячая феррожидкость менее парамагнитная, чем холодная. Магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой в динамиках, притягивает холодную феррожидкость сильнее, чем горячую, и горячая феррожидкость увлекается от катушки к кулеру. Так происходит охлаждение звуковой катушки.

Феррожидкость также используют для смазки в узлах трения автомобильной техники, промышленных машин и механизмов. Преимущество использования феррожидкости вместо обычного масла состоит в том, что ее можно удерживать в нужном месте внешним магнитным полем, одновременно сохраняя свойство текучести. Таким образом, загрязнение окружающей среды, вызванное утечкой смазочных материалов, можно предотвратить путем прикладывания магнитного поля.

Еще одна область применения феррофлюида —– это магнитожидкостное уплотнение. Для этой задачи магнитная жидкость выступает в роли среды, передающей вращательное движение между механизмами и сохраняющей герметизацию. Такое уплотнение почти не изнашивается из-за чисто жидкостного трения в зазоре между подвижными и неподвижными элементами вала. Наиболее часто употребляется магнитожидкостное уплотнение для вакуумного технологического оборудования.

Ферромагнитная жидкость нашла свое применение не только в промышленности, но еще и в искусстве. С помощью феррожидкости художники создают удивительные по красоте работы.

Капля феррожидкости высотой три сантиметра на предметном стекле. Лист желтой бумаги находится под предметным стеклом, а набор из семи маленьких круглых магнитов под бумагой влияет на форму капли. Фото © Felice Frankel с сайта commons.wikimedia.org

Художник Эрик Меспле (Eric Mesple) делает интерактивные арт-объекты. Например, его установка под названием Machine: Affecting Effect в форме сферы имеет датчики движения и позволяет перемещать магнит с феррожидкостью вдоль сферы вслед за зрителем, создавая эффект взаимодействия с ним. Другая установка, Ferreflection Pool, позволяет визуализировать силуэт зрителя. Для этого автор использует старую игровую приставку Xbox с датчиком движения и микроконтроллер, который управляет включением-выключением 320 магнитов, активируемых для создания силуэта:

Работы Эрика Меспле. Кликните по картинке, чтобы посмотреть видео на youtube.com

А японские художники Сатико Кодама (Sachiko Kodama) и Минако Такено (Minako Takeno) в 2001 году провели необычную интерактивную выставку Protrude, Flow. Звуки в выставочном зале (звуки артистов и голоса зрителей) улавливались свисающим с потолка микрофоном, затем компьютер преобразовывал амплитуду звука в электромагнитное напряжение, определяющее силу магнитного поля. Магнитное поле изменяло форму ферромагнитной жидкости:

Фотография с выставки Protrude, Flow. Фото © Yozo Takada с сайта kodama.hc.uec.ac.jp

Из-за зрелищности ферромагнитную жидкость полюбили не только артисты, но и обычные люди. Опыты с ферромагнитной жидкостью часто показывают популяризаторы физики или даже учителя в школе. А набор с ферромагнитной жидкостью можно без труда найти в любом крупном интернет-магазине.