шпаргалка

7. Ферромагнитные жидкости

[ Назад ]







Рис. 1.20. Зависимость удельного сопро¬тивления образцов La-Ca-Mn-О от

прило¬женного магнитного поля в районе точки Кюри (250 К).

Ферромагнитные жидкости — это коллоиды, обычно состоящие из 10-нанометровых

магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для предотвращения их

агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном масле. Наночастицы

представляют собой однодоменные магниты, ориентация магнитных моментов которых в

отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная

намагниченность жидкости равна нулю. При наложении магнитного поля моменты

отдельных частиц выстраиваются по направлению поля, и жидкость намагничивается.

Обычно в таких жидкостях используются частицы магнетита Fe3O4. На рис. 1.22

показана кривая намагничивания феррожидкости с 6-нанометровыми частицами

магнетита, гистерезис которой практически отсутствует. Таким образом,

ферромагнитные жидкости — суперпарамагнитные магнитомягкие материалы. Интересно,

что суспензии магнитных частиц в жидкостях использовались в магнитных вакуумных

затворах начиная с 1940-х годов, но брались частицы больших, микронных,

размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее

загущению до твердого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал

жидкостью не является. Нанометровый масштаб размеров частиц является необходимым

условием для существования ферромагнитной жидкости. Эти жидкости обладают массой

интересных свойств, таких как зависимость от магнитного поля анизотропии

оптических свойств.





Рис. 1.22. Кривая намагничивания ферромагнитной жидкости на основе наночастиц

магнетита, Fe304, демонстрирует магнигомягкое поведение (отсутствие

гистерезиса). 1 Эрстед = 10-4 Тесла.





Рис. 1.23. Фотография цепочек магнитных наночастиц в пленке ферромагнитной

жидкости при наложении параллельного пленке магнитного поля, полученная через

оптический микроскоп.





Рис. 1.24. (а) — Зависимость расстояния между цепочками магнитных наночастиц от

индукции магнитного поля, параллельного поверхности пленки; (б) —зависимость

тол¬щины цепочек от магнитного поля.

Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из длинных

молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ориентацию которых в

жидкой фазе можно влиять с помощью электрического поля. Управляемое

электрическим полем двулучепреломление жидких кристаллов широко используется в

оптических устройствах, например жидкокристаллических дисплеях наручных часов

или переносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения

ферромагнитных жидкостей на основе их двулучепреломления, зависящего от

магнитного поля. Для наблюдения этого явления жидкость помещают в закрытую

стеклянную ячейку слоем толщиной несколько микрон. При наложении магнитного поля

параллельно поверхности с помощью оптического микроскопа можно наблюдать, как

некоторые магнитные частицы в жидкости собираются в иглообразные цепочки,

ориентированные вдоль поля. На рис. 1.23 изображены такие цепочки при наблюдении

в микроскоп. С ростом магнитного поля все большее количество частиц

присоединяется к этим цепочкам, которые становятся и толще, и длиннее.

Расстояние между цепочками также уменьшается. На рис. 1.24а и 1.24б приведены

данные о расстоянии между цепочками и их толщине в зависимости от напряженности

магнитного поля. При наложении поля перпендикулярно поверхности пленки цепочки

упорядочиваются в структуру, снимок которой через оптический микроскоп показан

на рис. 1.25. Первоначально, при низких полях, концы цепочек располагаются на

плоскости случайно. Когда при увеличении напряженности поля достигается

критическое значение, цепочки упорядочиваются в показанную на рисунке

гексагональную структуру. Такое поведение аналогично образованию решетки вихрей

в сверхпроводнике второго рода.

Образование цепочек в феррожидкости в магнитном поле делает ее оптически

анизотропной. При распространении света или, в общем случае, электромагнитной

волны, вектора напряженностей электрического и магнитного поля колеблются в

плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны. Свет называется

линейно поляризованным в том случае, если колебания вектора одного типа

происходят в одной перпендикулярной лучу плоскости, а не в случайном поперечном

направлении. Когда линейно поляризованный свет падает на пленку ферромагнитной

жидкости, находящуюся в магнитном поле, он выходит с другой стороны пленки

эллиптически поляризованным. Это называют эффектом Коттона-





Рис. 1.25. Изображение концов цепочек магнитных наночастиц в ферромагнитной

жидкости в перпендикулярном пленке магнитном поле, полученное в оптическом

микроскопе. Напряженность поля доста¬точна для формирования гексагональной

решетки из цепочек.



Рис. 7.26. Экспериментальная установка для измерения эффекта оптической

поляризации на пленке ферромагнитной жидкости в магнитном поле, параллельном

поверхности.

Мутона. Экпериментальная установка для наблюдения этого эффекта показана на рис.

1.26. Линейно поляризованный дополнительным поляроидом луч гелий-неонового

лазера падает на пленку ферромагнитной жидкости. Для исследования поляризации

выходящего из пленки света используется другой поляроид, называемый

анализатором. Он размещается между пленкой и детектором света, в качестве

которого выступает фотоумножитель. Интенсивность прошедшего пучка света

измеряется как функция угла ориентации направления поляризации анализатора,

обозначенного на рисунке буквой η. Из рис. 1.27 видно, что интенсивность

проходящего света сильно зависит от угла η. Этот эффект может быть положен в

основу оптических переключателей, в которых интенсивность пропускаемого света

меняется посредством изменения магнитного поля или направления поляроида.

Рис. 1.27. Интенсивность пучка света, про¬ходящего через анализатор, показанный

на

рис. 1.26, в зависимости от угла η в нулевом магнитном поле и в поле 200 Э (0.02

Тл).

С помощью ферромагнитной жидкости можно также создать настраиваемые магнитным

полем дифракционные решетки. Дифракция возникает в результате наложения двух или

большего количества световых волн с одинаковой длиной волны, приходящих на

детектор, например, фотопленку, по путям слегка разной длины. Если длина путей

отличается на половину длины волны, такие волны гасят друг друга, а на пленке

образуется темная область. Если длина путей отличается на длину волны,

интенсивности волн складываются, образуя яркую область на детекторе.

Дифракционная решетка состоит из тонких щелей, разнесенных друг от друга на

расстояния порядка длины волны падающего света. Выше было показано, что при

помещении пленки ферромагнитной жидкости в достаточно сильное постоянное

магнитное поле, направленное перпендикулярно пленке, агрегированные в цепочки

ферромагнитные наночастицы образуют равновесную двумерную гексагональную

решетку. Такая структура может выступать в качестве двумерной оптической

дифракционной решетки, на которой падающий на нее свет будет дифрагировать. На

рис. 1.28 показано черно-белое изображение цветных дифракционных колец,

выглядящих как чередование светлых и темных участков. Эта структура образуется в

результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной

жидкости, помещенной в магнитное поле. Дифракционная картина определяется

уравнением





Рис. 1.28. Черно-белое изображение цветных дифракционных колец, образующихся при

прохождении света через пленку ферромагнитной жидкости в перпендикулярном к ее

поверхности магнитном поле.





где d — расстояние между цепочками наночастиц, θ — угол между нормалью к

поверхности пленки и выходящим из нее пучком света, n — целое число, а λ — длина

световой волны. Ранее было показано, что расстояние d между цепочками зависит от

напряженности приложенного магнитного поля. Таким образом можно получить

перестраиваемую дифракционную решетку, которую можно подстраивать на требуемую

длину волны, изменяя напряженность магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости уже коммерчески используются в нескольких приложениях.

Они выступают в качестве герметика, препятствующего проникновению пыли внутрь

корпуса жестких дисков персональных компьютеров, и вакуумных уплотнителей,

необходимых для введения быстро вращающихся осей в высоковакуумированную

зону. В последнем случае





Рис. 1.29. Иллюстрация использования ферромагнитной жидкости в качестве

ва¬куумного затвора между вращающимся валом из материала с высокой магнитной

проницаемостью и неподвижными полю¬сами постоянного магнита.

жидкость используется для герметизации щели между вращающимся валиком и

поддерживающей его опорой, как показано на рис. 1.29. Уплотнение состоит из

нескольких капель ферромагнитной жидкости в промежутке между осью и втулкой, в

качестве которой используется цилиндрический постоянный магнит. Жидкость

образует вокруг оси непроницаемое кольцо, не вызывающее, однако, заметного

трения. Уплотнения такого типа используются во многих применениях.

Ферромагнитные жидкости используются в акустических динамиках для демпфирования

мембраны. Даже природа использует ферромагнитные жидкости. Например, считается,

что ферромагнитная жидкость играет определенную роль в системе ориентации

форели. Полагают, что в носу форели существуют клетки, содержащие суспензии

наночастиц магнетита. Когда рыба меняет свою ориентацию по отношению к

магнитному полю Земли, направление намагниченности ферромагнитной жидкости в

клетках меняется. Это изменение обрабатывается мозгом форели для получения

информации о ее ориентации.

КАТЕГОРИИ:

Network | английский | архитектура эвм | астрономия | аудит | биология | вычислительная математика | география | Гражданское право | демография | дискретная математика | законодательство | история | квантовая физика | компиляторы | КСЕ - Концепция современного естествознания | культурология | линейная алгебра | литература | математическая статистика | математический анализ | Международный стандарт финансовой отчетности МСФО | менеджмент | метрология | механика | немецкий | неорганическая химия | ОБЖ | общая физика | операционные системы | оптимизация в сапр | органическая химия | педагогика | политология | правоведение | прочие дисциплины | психология (методы) | радиоэлектроника | религия | русский | сертификация | сопромат | социология | теория вероятностей | управление в технических системах | физкультура | философия | фотография | французский | школьная математика | экология | экономика | экономика (словарь) | язык Assembler | язык Basic, VB | язык Pascal | язык Си, Си++ |