Магнитореологический эффект
Магнитореологический эффект — резкое изменение механических свойств (вязкости, пластичности, упругости) некоторых суспензий под воздействием магнитных полей.
Значительные изменения претерпевают также тепло- и электропроводность, магнитная проницаемость. Магнитореологический эффект открывает широкие возможности прямым воздействием электрических сигналов управлять гидродинамическими, тепломассообменными, электро - и магнитными характеристиками жидкотекучих сред.
Вязкость магнитореологической суспензии (МРС) может увеличиваться в 100 раз при увеличении магнитного поля (в отличие от магнитных жидкостей, где вязкость увеличивается на 10—30%)
Магнитореологические суспензии могут состоять из ферромагнитной дисперсионной фазы, в качестве которой используются высокодисперсные порошки железа, например, карбонильного железа со средним размером фракций в интервале от 2 до 10 микрон. Могут быть использованы порошки кобальта, никеля или их смеси с порошками железа. В отличие от магнитных жидкостей в магнитореологической суспензии объемная доля ферромагнетика составляет 10-50%, что и обуславливает проявления магнитореологического эффекта, выражающегося в резком изменении вязкости при наложении магнитного поля. Вязкость некоторых из них может изменяться на несколько порядков.
Магнитореологические суспензии обладают высокой текучестью, управляемой магнитным полем, изменяют свою вязкость в зависимости от напряженности и градиентности магнитного поля, проявляют эффект автолевитации, т.е. выталкивают из своего объема немагнитные тела или взвешивают в своём объёме – магнитные. Такие системы характеризуются гистерезисом структурообразования в магнитном поле. После выключения магнитного поля частично сохраняется предыдущая структура, для ликвидации которой требуется тщательное перемешивание.
Гистерезис обусловлен необратимостью процессов намагничивания. Магнитной характеристикой этого явления служит петля гистерезиса – зависимость магнитной индукции В (намагниченности М) от напряженности магнитного поля Н при циклическом перемагничивании образца. Основными ее параметрами являются: остаточная индукция Br, остающаяся в образце после снятия внешнего поля; коэрцитивная сила Hc — размагничивающее поле обратного направления, которое необходимо приложить к образцу, чтобы уничтожить остаточную индукцию; площадь петли, характеризующая потери энергии на гистерезис за один акт перемагничивания.
Известно, что при нагревании самопроизвольная намагниченность уменьшается и в точке Кюри резко падает до нуля, и магнетики переходят в парамагнитное состояние, в котором содержащиеся в веществе магнитные моменты (электронные орбиты и спины) в слабой степени ориентируются полем, поскольку действию поля препятствует тепловое движение.
Существование таких температур обусловлено тем, что при достаточном нагревании обеспорядочивающее действие теплового движения на ориентацию магнитных осей атомов становится настолько значительным, что преодолевает силы взаимодействия атомов, обеспечивающие спонтанную намагниченность домена.
Наиболее сильные эффекты, сопровождающие намагничивание дисперсных ферромагнетиков, имеют место в суспензиях магнитно-мягких материалов, в частности в суспензиях карбонильного железа или карбонильного никеля. Карбонильные металлы производятся в промышленных масштабах, и с их помощью легко реализуются все возможности, связанные с эффектами взаимодействия частиц в магнитном поле. Доступны и другие типы магнитно-мягких материалов, в числе которых имеются и ферриты.
Суспензии приобретают в магнитном поле ярко выраженную пластичность с большим предельным напряжением сдвига t s (сдвиговой прочностью). При цепочечной структуре и магнитной природе сил сцепления частиц сдвиговая прочность равна удельной (на единицу объема) энергии магнитного взаимодействия частиц.
При малых скоростях сдвига сопротивление сдвигу практически не зависит от скорости деформации, что позволяет передавать крутящий момент, практически не зависящий от скорости проскальзывания ведущего и ведомого фрикционов. Такая передаточная характеристика может быть полезной в ограничительных и магнитоуправляемых муфтах сцепления, тормозах и других устройствах. Условия применения таких устройств могут быть весьма жесткими при использовании суспензий на основе металлических легкоплавких сред.
Концентрированные суспензии магнитно-жестких ферритов имеют большую величину предельного напряжения сдвига и в отсутствие внешнего магнитного поля, поскольку частицы таких суспензий самопроизвольно намагничены до насыщения. Практический интерес представляет возможность появления в таких суспензиях направленного синхронного вращения частиц в переменном магнитном поле.
При сдвиговой деформации суспензии направление вращения совпадает с направлением сдвига, что проявляется в существенном снижении вязкости суспензии и даже в эффекте, который формально может быть описан как появление отрицательной вязкости. Фактически это означает, что суспензия под действием поля начинает течь и в отсутствие какой-либо внешней, понуждающей к течению силы. Поскольку в отсутствие такой силы суспензия «не знает», в каком направлении следует течь, то течение может принимать различные, иногда причудливые формы. Движение от стенок сосуда к его середине, течение одновременно в двух противоположных направлениях. Наличие течения проявляется в том, что на поверхности суспензии регулярно возникают гребни движущихся волн. Суспензия интенсивно нагревается из-за непрерывного вращения частиц в вязкой среде, и поэтому она может использоваться как распределенный тепловыделяющий агент.