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铁磁流体

铁磁流体位于玻璃之上,磁铁位于下方。

铁磁流体ferrofluid, ferrum 拉丁语 “” 与 fluid “流体” 两词的混成词)是一种在磁场存在时强烈极化的液体。铁磁流体由悬浮于载流体当中纳米数量级的铁磁微粒组成;其载流体通常为有机溶液或。铁磁微粒由表面活性剂包裹以防止其因范德瓦耳斯力磁力作用而发生凝聚。尽管被称为铁磁流体,但它们本身并不表现铁磁性。这是因为在外部磁场不存在的情况下,铁磁流体无法保持磁性。事实上,铁磁流体表现顺磁性,并且由于它们的高磁化率,通常被认为具有“超顺磁性”。液态磁性材料(区别于铁磁流体)在实际当中很难,一般要求高温及电磁浮置等条件。

描述

铁磁流体由显微镜可见的铁磁纳米微粒组成,通常源自磁铁矿赤铁矿或者其他包含铁的混合物。这些纳米微粒的典型大小为10纳米;在这个足够小的尺度上,热搅动可以使它们在载流体当中被均一地分散开,从而使它们对流体的整体磁性反应起作用。这一作用方式类似于顺磁性水盐溶液(如硫酸铜或氯化锰水溶液)当中的离子作用使得溶液具有顺磁性。

真正的铁磁流体是稳定的。这意味着固体微粒即使在极强的磁场当中也不发生凝聚或者分相。然而,界面活性剂经过一定时间(若干年)会发生分解,导致纳米微粒最终凝聚并且分离出来,从而不再对流体的磁性反应起作用。

磁流变流体(MRF)是指类似于铁磁流体(FF)并于磁场存在下凝固的液体。磁流变流体含有微米量级的微粒,大小比组成铁磁流体的微粒高1-3个数量级。

法向场不稳定性

铁磁流体处于由位于碟子下方的钕磁铁引起的磁场当中,表现出法向场不稳定性。

当一种顺磁性流体处于一段足够强的垂直磁场中时,其表面自然形成一种褶皱构型。这一显著的效应被认为是具有法向场不稳定性。褶皱的形成增加了流体的表面自由能和重力能,却减少了磁能。褶皱只有在磁场强度高于临界磁场时才会形成,此时磁能的减少在数值上超过表面自由能和重力能的增加。铁磁流体具有异常高的磁化系数,一块小条形磁铁即可达到其临界磁场并使其产生褶皱(见图)。

常用铁磁流体界面活性剂

铁磁流体中通常包含的表面活性剂如下(但不仅限于此):

应用

铁磁流体处于一段强垂直磁场中。

电子设备

磁性流体被应用在真空设备,一个磁性流体密封圈通常可以承受0.2的大气压,而整个轴承所能承受的总气压为各密封圈承受力的总合。

特点

  • 完整密封
  • 使用寿命长
  • 高可靠度
  • 不受污染
  • 高速性能
  • 最理想的扭力输出
  • 无泄漏衰退
  • 滑顺的运转

机械工程

国防

美国空军引入一种同时由铁磁流体和非磁性物质制成的雷达吸波材料(RAM)作为涂料。这种材料通过减少电磁波反射从而减少了飞行器的雷达截面。

航空

美国国家航空航天局NASA)利用处于封闭环中的铁磁流体作为太空船的姿态控制系统的实验基础。将磁场应用于环中的铁磁流体从而改变角动量并影响太空船的旋转。

光学

QED技术已经发展出一种基于磁流变流体的光学抛光方法。这种方法已被证明具有高度的精确性。QED抛光方法曾被用于制造哈勃太空望远镜的矫正透镜。

测量

基于其折射属性,铁磁流体具有诸多光学应用;亦即,每一个磁小体均可对光反射。这些应用包括测量置于偏光器与分析器之间并于激光器照射下的流体增比黏度。

医学

医学领域,一种相容性铁磁流体可被用于癌症检测。同时有许多实验利用铁磁流体摘除肿瘤。铁磁流体可以被注入肿瘤体并被置于快速变化的磁场当中,由此铁磁流体在肿瘤中运动产生摩擦热从而破坏肿瘤。

热传导

若外加在铁磁流体上的磁场有不同磁化系数(比如在不同温度下,磁化系数会不同),会产生不均一的磁体力,进而产生热量传导,通常叫做磁热对流。这种热量传导可以做为普通热传导方式的补充,应用于处于微重力下的微型仪器。

铁磁流体通常应用于扬声器中,以吸收音圈以及磁体之间所产生的热量,并同时可以被动地减弱扬声器圆锥的运动。铁磁流体通常位于音圈之间的空气空隙中,并由扬声器中的磁体固定。铁磁流体具有顺磁性的特性,因而满足居里定律:在温度升高时磁性降低。由于扬声器磁体在工作时产生热量导致周围被加热的铁磁流体磁性降低,周围被加热的铁磁流体会被外围的冷铁磁流体所取代。这是一种有效的无需外界提供能量的散热办法。

汽车

尚待讨论

参见

外部链接

Preparation instructions

  • How to make magnetic fluid页面存档备份,存于互联网档案馆) — Anne Marie Helmenstine, Ph.D.
  • FerroFluid Synthesis — Sci-Spot.com
  • Berger, Patricia; Nicholas B. Adelman, Katie J. Beckman, Dean J. Campbell, et al. Preparation and properties of an aqueous ferrofluid. Journal of Chemical Education. July 1999, 76 (7): pp. 943–948 [2007-01-02]. ISSN 0021-9584. (原始内容存档于2008-06-23).
  • Synthesis of an Aqueous Ferrofluid页面存档备份,存于互联网档案馆) — instructions in DOC and PDF format

参考文献

  1. ^ First observation of ferromagnetism and ferromagnetic domains in a liquid metal. [2007-02-28]. (原始内容存档于2019-07-01).
  • Ferrohydrodynamics (1985), Ronald. E. Rosensweig. The usual starting reference for learning the details of ferrofluids.

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