Базовой характеристикой магнитных материалов считалась твердость, однако в середине прошлого века зародились представления о «магнитной» жидкости, с помощью которой пытались объяснить магнитные свойства твердых тел. Однако, эту «теоретическую» жидкость так и не обнаружили, однако было установлено, что некоторые однородные жидкости действительно обладают слабыми магнитными свойствами [5]. Несколько позже были синтезированы жидкости, представляющие собой коллоидный раствор частиц металлов, размером порядка 10-20 нанометров, в жидкой среде-носителе, в качестве которой может выступать керосин, вода или неорганические масла.
Высокий уровень интереса к магнитным жидкостям со стороны экспериментаторов и теоретиков, создал базу для широко практического применения магнитных жидкостей в приборах и устройствах, создание которых находится на стыке науки о коллоидах, физики магнитных явлений, магнитной гидродинамики. Рассмотрим некоторые такие устройства [5].
Принцип работы магнитожидкостных демпферов очень прост – благодаря трению внутри жидкости между ее слоями диссипируется кинетическая энергия нежелательных механических перемещений и колебаний. Магнитные жидкости благодаря своим свойствам обусловили с успехом используются в демпферах. Прежде всего, это возможно благодаря поднятию магнитной жидкости над не обладающей магнитным свойствами стенкой тела, которое имеет собственный магнитный момент. Во-вторых, при синтезе магнитных жидкостей возможно задавать их намагниченность и вязкость, которые в свою очередь влияют на характеристики демпфера. При ускорении и замедлении вала проявляется механизм внутреннего трения магнитной жидкости, заключающийся в относительном движение отдельных слоев магнитной жидкости.
Магнитожидкостные демпферы успешно принимаются в измерительных приборах. Фирмой «Fisher Control» выпускает измерители расхода жидкости, основанные на вертикальном перемещении конусообразного поплавка под действием. Две капли магнитной жидкости размещаются в зазоре между цилиндрическим магнитом и корпусом, который сделан из немагнитного материала.
Фирма «Crosfield» разработала висискозиметр для измерения вязкости чернил. В основе принципа работы лежит постоянный магнит прикрепленные к внешнему немагнитному цилиндру. Немагнитный цилиндр приводится во вращение со скоростью 2000 об/мин. Магнитожидкостные демпфера обладают качественным и неоспоримым достоинством. Они могут применяться в оборудовании, которое может произвольно располагаться в пространстве, а также в очень жестких условиях.
В 1969 г. Р.Е. Розенцвейгом был предложен первую теоретическую установку, принципиальное действие которой базируется на зависимости давления в магнитной жидкости от напряженности магнитного поля. Позже на основе данной идеи был разработан целый класс таких приборов. Например, с помощью высокоточной оптической аппаратуры, можно определить распределение индукции по оптической анизотропии слоя магнитной жидкости, вызванной полями рассеяния. Магнитные жидкости используют и для визуализации структуры магнитной записи.
В основе некоторых измерительных устройств реализовано свойство магнитных жидкостец изменять поток индукции через площадь, когда в контуре находится сердечник, наполненный магнитной жидкостью. Дж. Хантер (J. Hunter), В. Стриплинг (W. Stripling) и Х. Уйат (H. White) в 1972 г. предложили детектор уровня и вибропреобразователь, содержащий емкость с измерительной обмоткой и генератор, с обмоткой, которая частично заполнялась магнитной жидкостью. В таком датчике магнитный поток, создаваемый обмоткой, индуцирует в измерительной обмотке ЭДС, которая зависит от силы тока питания, частоты питающего напряжения и взаимной индуктивности измерительной обмотки и обмотки генератора. Взаимная индуктивность этих обмоток зависит от магнитных свойств жидкости, которая служит общим сердечником в датчике, и степени заполнения жидкостью измерительной обмотки. Чувствительность такого датчика, которая характеризует изменение выходного напряжения при единичном отклонении его оси от горизонтального напряжения, рассчитывается по формуле
(1)
где χ = const – магнитная восприимчивость магнитной жидкости в слабых полях; L – длина цилиндрического датчика; D – внутренний диаметр датчика; h – максимальная высота слоя магнитной жидкости в датчике; U – напряжение, индуцируемое в измерительной обмотке.
Нами была разработана система охлаждения процессора персонального компьютера на основе магнитной жидкости [1-4, 6-10]. Рассмотрим принцип работы системы охлаждения. В результате работы процессора его поверхность нагревается до 65-75 °С. Тепловой поток от процессора путем теплопроводности передается водяному блоку (1), который изготовлен из металла с высоким коэффициентом теплопроводности (алюминий или медь). Затем тепло от нижней стенки водяного блока (1) передается объему магнитной жидкости, содержащейся в нем. Слои магнитной жидкости с разной температурой начинают перемешиваться благодаря естественной (гравитационной) конвекции.
Схема опытного образца системы
охлаждения процессора
Так плоскость постоянных магнитов (3) расположена под углом к жидкостному блоку (1) таким образом, что поперечные сечения образуют конические сечения, то в области блока (1) создается градиент магнитного поля. Магниты (3) подбираются таким образом чтобы градиент магнитного поля составлял порядка 105 А/м2 в области нахождения магнитной жидкости.
Вследствие создания необходимых условий для термомагнитной конвекции (градиентное магнитное поле порядка 100 кА/м2, неравномерно прогретая по высоте магнитная жидкость), в объеме магнитной жидкости образуются термомагнитоконвекицонные ячейки. Интенсивность такой циркуляции, по предварительным расчетам, превышает естественную гравитационную конвекцию на порядок.
В результате у поверхности процессора (в связи с тем, что напряженность магнитного поля там максимальна), постоянно находятся наиболее холодные слои магнитной жидкости. Это первый (малый) контур циркуляции в системе охлаждения.
Второй (большой) контур циркуляции обеспечивает охлаждения всего объема магнитной жидкости в целом. Циркуляция по второму контуру обеспечивается прокачкой насосом (4) магнитной жидкости через радиатор (5) по соединительным трубкам (7).
Таким образом, механизм термомагнитной конвекции, реализуемый в нашей системе охлаждения, и принудительная прокачка жидкости насосом (4) создают 2 контура циркуляции, которые обеспечивают охлаждение процессора наиболее холодными слоями магнитной жидкости. При использовании системы охлаждения на основе магнитной жидкости предполагается достичь преимущества по сравнению с обычной жидкостной системой охлаждения процессоров на 5-7 °С. Это существенно повысит производительность компьютеров и уменьшит уровень создаваемого шума.
На основании всего сказанного, можно с уверенностью сказать, что наука о магнитных жидкостях на самом деле чрезвычайно интересная, познавательная. Она обладает уникальными особенностями и тонкостями. Открытия в области магнитной жидкости широко используются во многих сферах нашей жизни (медицина, автомобили, компьютерная техника).