Министерство науки и высшего образования Российской Федерации. Природа магнитных в веществе. Магнитные жидкости

• Название: Природа магнитных в веществе. Магнитные жидкости
• Дата: 12.08.2021
• Размер: 1.05 Mb.
• Имя файла: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.docx
• Тип: Реферат; #226744

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВО «КубГТУ»)

Институт нефти, газа и энергетики

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

«Физические методы активации химических процессов»

на тему:

«Природа магнитных в веществе. Магнитные жидкости»

Выполнил:

ст. гр. 19-НБ-ХТ1

Данилин Е.А.

Проверил:

доцент каф. ТНиГ,

канд. техн. Наук

Литвинова Т.А

Краснодар, 2021 г.

Введение

Все вещества в той или иной мере обладают магнитными свойствами, то есть способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле. Намагниченность вещества количественно характеризуется величиной и направлением относительно внешнего поля магнитного момента единицы объема. Bзависимости от величины намагниченности и ее связи с внешним полем все вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Принадлежность к той или иной группе определяется строением атомов или молекул вещества и видом их химической связи друг с другом, поэтому исследование магнитных свойств веществ дает ценную информацию об их строении.

1.Магнитное поле в веществе.

1.1. Природа манитных полей в веществе.

Экспериментально доказано, что все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. тем или иным способом реагируют на внешнее магнитное поле, кроме того, могут создавать собственное магнитное поле. Различают вещества с парамагнитными, диамагнитными и ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики и антиферромагнетики относятся к веществам интенсивно взаимодействующим с магнитным полем. Слабый магнитный эффект диа - и парамагнетиков имеет разный знак. Так, маленький цилиндр из висмута слабо выталкивается (рис. 1) из области сильного магнитного поля заостренного полюса, как и другие диамагнетики. Цилиндр из алюминия незначительно смещается в сторону сильного

поля, как и другие парамагнетики.



Свойства магнетиков, механизм магнитных эффектов интерпретируются построением моделей магнетиков, учитывающих особенности их поведения в магнитном поле.

Выясним природу диа -, пара - и ферромагнетизма. Главным свойством магнетиков является намагничивание. Намагничиванием называется явление возникновения в веществе объемного макроскопического магнитного момента. Происхождение магнитного момента связано с незатухающими кольцевыми токами внутри атомов и молекул вещества, по аналогии с тем, как стационарные магнитные поля порождаются электрическими токами. Токи, создающие магнитные моменты и не дающие вклад в макроскопические токи проводимости, называются токами намагничивания. Магнитный момент атома складывается из трех магнитных моментов: электронного орбитального, электронного спинового и ядерного.

Орбитальному движению частицы m соответствует величина механического момента




где r - радиус круговой орбиты, w - собственная частота вращения.



Орбитальному движению заряда q соответствует магнитный момент



С учетом знака электрона направления векторов и противоположны, величины магнитного и механического моментов связаны так называемым гиромагнитным отношением



Полученное соотношение справедливо всегда, т.к. содержит только фундаментальные постоянные. Для объяснения ряда экспериментальных фактов классическая механика предполагает еще вращение электрона вокруг собственной оси (рис. 59, в). По чисто квантовомеханическим причинам отношение собственного магнитного момента электрона к собственному механическому моменту (спину) электрона в два раза больше орбитального соотношения:



Полный механический момент атома с несколькими электронами и его полный магнитный момент представляют некоторую комбинацию орбитальных и спиновых моментов электронов. Ядерным механическим и магнитным моментами, за величину и направление которых ответственны протоны и нейтроны ядра, и их орбитальным и собственным вращением по своего рода орбитам можно пренебречь, их величина в тысячи раз меньше электронных моментов.

1.2. Ларморова прецессия. Сущность явлений диамагнетизма и парамагнетизма

Частота вращения электронов в атоме изменяется, если атом поместить в магнитное поле. При отсутствии магнитного поля собственная частота w0 вращения электрона по окружности радиуса r зависит от величины силы взаимодействия электрона и ядра, сила притяжения электрона ядром является центростремительной силой:



В магнитном поле с индукцией , направленной перпендикулярно плоскости орбиты электрона вдоль радиуса, действует сила Лоренца, абсолютное значение которой равно:



а ее направление зависит от направления вектора магнитной индукции. Частота вращения w электрона по орбите в магнитном поле отличается от собственной частоты . Уравнение движения электрона в магнитном поле имеет вид



Центростремительная сила настолько велика, что не изменяется внешними полями, поэтому радиус орбиты не меняется. Решая систему этих уравнений получим из уравнения



дополнительную угловую скорость движения электрона в магнитном поле





(использовали преобразование , где ), которая называется ларморовой.

Образование дополнительной угловой скорости вращения без изменения радиуса орбиты можно представить в виде дополнительного вращения атома как целого с частотой , само дополнительное вращение атома называется прецессией, т.о. атом в магнитном поле совершает прецессионное движение. Оно называется ларморовой прецессией.

Обусловленное прецессией дополнительное движение электронов приводит к возникновению индуцированного магнитного момента атома, направленного против поля.

В чистом виде это явление наблюдается в диамагнетиках. Механизм диамагнитного эффекта можно показать на модели атома гелия. Опытным путем установлено, что атом гелия не имеет магнитного момента. Это означает, что орбитальные магнитные моменты и спиновые магнитные моменты двух электронов точно сбалансированы, т.е. их сумма равна нулю.



Дополнительные индуцированные магнитные моменты двух электронов направлены одинаково, но противоположно внешнему магнитному полю, диамагнетик вытесняется из магнитного поля. Явление диамагнетизма универсально, ибо универсальной является сущность явления: в атоме любого вещества возникает магнитный момент и дополнительное магнитное поле.

Диамагнетиками являются атомы металлов (медь, золото, висмут и др), ионы и , атомы инертных газов. Электронная оболочка таких атомов замкнута (заполнена полностью), магнитные моменты скомпенсированы. Парамагнетики

Парамагнетиками являются вещества, атомы или молекулы которых обладают магнитным моментом. Электронная оболочка в этом случае заполнена частично, общее число электронов нечетно, следовательно, спин одного из электронов оказывается нескомпенсированным. В магнитном поле возникает преимущественная ориентация магнитных моментов в направлении индукции. Кроме того, магнитные моменты испытывают прецессионное движение вокруг направления вектора индукции без изменения угла между ними.

Явление парамагнетизма не является универсальным, ибо не универсальной является сущность явления: не все вещества имеют атомы или молекулы, которые обладают собственным магнитным моментом. Парамагнетиками являются некоторые металлы (алюминий, платина, редкоземельные элементы и др.), водные растворы ряда солей, кислород, окись азота.

Очевидна зависимость эффекта парамагнетизма от температуры и независимость эффекта диамагнетизма от температуры. Тепловое движение способно разупорядочить выстроенность магнитных моментов, но не может повлиять на орбитальное и спиновое движение электрона.

1.3. Ферромагнетизм. Гистерезис

Механизмы намагничивания диа-, пара- и ферромагнетиков различны.

В рамках классической теории магнетизма механизм возникновения

ферромагнетизма и свойства ферромагнетиков могут быть описаны

качественно.

Величинами, характеризующими магнитное поле в веществе, являются вектор намагниченности , магнитная восприимчивость  и магнитная проницаемость .

Вектор намагниченности определяется отношением магнитного момента элементарного физического объема к объему:



где - элементарный объем, - магнитные моменты молекул.

Другими словами, вектор намагниченности есть объемная плотность магнитного момента магнетика.

Магнитная восприимчивость  характеризует связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе:



где - напряженность магнитного поля.

Магнитная проницаемость  характеризует связь индукции магнитного поля в веществе с напряженностью воздействующего магнитного поля:



где - магнитная постоянная.

Два последних уравнения справедливы для диаи парамагнетиков. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией напряженности внешнего магнитного поля, зависимость J(H) не линейная, намагниченность имеет предел, называемый намагниченностью насыщения.



Зависимость B(H) также не линейная, кривая намагничивания ферромагнетиков в периодическом магнитном поле H (рис. 63) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса. Результирующая намагниченность B в нулевом внешнем поле сначала равна нулю (точка O ). По мере роста H намагниченность увеличивается и достигает некоторой постоянной величиныB_нас, выше которой она уже не поднимается, несмотря на дальнейшее увеличение поля H . Намагниченность не увеличивается безгранично при увеличении напряженности внешнего магнитного поля, а имеет предел, называемый намагниченностью насыщения. Когда поле H уменьшается до нуля, намагниченность B все еще будет иметь конечную положительную величину, т.е. остаточную намагниченность (отрезок OD), ферромагнетик в этом состоянии называется постоянным магнитом. Для достижения нулевой намагниченности (точка С) требуется приложить обратное размагничивающее поле. Эта напряженность называется задерживающей или коэрцитивной силой ферромагнетика.



Материалы с малым значением коэрцитивной силы называются “мягкими” в магнитном отношении материалами. Магнитная проницаемость таких материалов большая и они используются в электротехнике переменных полей, в частности в трансформаторах.

Высококоэрцитивные материалы классифицируются как “жесткие” в магнитном отношении материалы. Магнитная проницаемость таких материалов относительно низкая, они очень трудно намагничиваются и размагничиваются, используются для создания постоянных магнитов.

Экспериментально установлено, что ферромагнетизм обусловлен спинами электронов. Ферромагнетики обладают свойством спонтанной намагниченности, это означает, что при отсутствии внешних магнитных полей, в силу внутренних причин, спины электронов сориентированы в одном общем направлении, результирующая намагниченности направлена вверх и ферромагнетик представляет собой домен, намагниченный до насыщения. В соседних доменах направление вектора намагниченности различно. Результирующая намагниченность может, следовательно, принимать различные значения от нуля (когда векторная сумма намагниченностей отдельных доменов равна нулю) до некоторого максимального значения, когда тело можно считать одним доменом.

В ферромагнетике реализуются лишь структуры минимальной энергии. Расчеты показывают, что при нулевой результирующей намагниченности полная энергия конфигурации в - наибольшая, с - несколько меньше, d - еще меньше. Домены в виде трехгранных призм, называемые замыкающими доменами, замыкают магнитный поток внутри ферромагнетика и таким образом предотвращают образование полюсов на верхней и нижней поверхностях образца.



Размеры доменов - порядка - см, их можно наблюдать в микроскоп. Граница между доменами имеет конечную толщину d, и ее форма близка к плоскопараллельной пластине. Магнитные моменты всегда лежат в плоскости стенки, так что в веществе не образуется внутренних полюсов. На фотографии темные вертикальные полосы – домены на поверхности образца сплава Fe – Sl, светлые линии – границы доменов.



Для всякого ферромагнетика существует температура, при переходе через которую он теряет свои ферромагнитные свойства. Эта переходная температура называется точкой Кюри. Для чистого железа  770 °С, для чистого никеля  358 °С. Основной вопрос теории ферромагнетизма состоит в объяснении спонтанного намагничивания. Параллельная ориентация спинов энергетически выгодна при так называемом сильном взаимодействии магнитных моментов, или обменном взаимодействии, и рассматриваются только в рамках квантовой теории.

2.Магнитные жидкости.

2.1.Основные понятия о магнитных жидкостях.

Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами.

Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях.

Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. А поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. А пока поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости.

Все они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Начнем с самого простого. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники - краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прервать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Хотя их делают уже давно, ни один кран надежным не назовешь: его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе (3).

В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном.

А вот еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз.

А преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (4).

Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии (в данном случае - с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. Подобное устройство может снабжать энергией миниатюрный радиоприемник или электронные часы. Оно способно преобразовывать удары капель дождя по крыше в электрический ток и получать таким образом даровую энергию.

Явление плавания тяжелых тел под действием неоднородного магнитного поля, погруженных в магнитную жидкость, позволило использовать магнитные жидкости в горно-обогатительных процессах. Неоднородное магнитное поле приводит к уплотнению магнитной жидкости, вследствие чего всплывают немагнитные частицы высокой плотности - медные, свинцовые, золотые. Поскольку неоднородность магнитного поля легко изменять в широких пределах, можно заставить плавать частицы определенной плотности. Это стало основой для создания технологии магнитной сепарации руд по плотностям. Смесь частиц различной плотности падает на слой магнитной жидкости, висящий между полюсами электромагнита. Ток в электромагните можно подобрать так, чтобы легкие частицы смеси всплывали в магнитной жидкости, а тяжелые - тонули. Если установить полюса электромагнита наклонно, легкие частицы станут двигаться вдоль поверхности слоя и процесс разделения смеси станет непрерывным: тяжелые частицы провалятся сквозь слой магнитной жидкости и попадут в один приемник, а легкие частицы скатятся по ее поверхности в другой (5).

Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.

Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму (6).

Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Все процедуры при этом существенно упрощаются.