ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Изучение возможности применения магнитных жидкостей в механике и биомедицине. Полученная оценка - отлично ...

Введение 3
1 Техническое применение магнитных жидкостей 4
1.1. Герметизаторы для вращающихся валов 4
1.2 Магнитные жидкости в гидравлических клапанах 5
1.3 Датчик давления 6
1.4. Сепараторы немагнитных материалов 6
1.5. Печатающие аппараты 7
1.6. Очистка воды от нефтепродуктов 8
1.7. Смазка подшипников качения 8
1.8. Опоры 9
1.9. Подшипники 10
1.10. Демпферы 11
1.11. Амортизаторы 12
1.12. Датчик угла наклона 14
1.13. Трансформатор с магнитной жидкостью 15
1.14. Электродинамические громкоговорители 16
2. Использование магнитной жидкости в медицине 17
2.1 Лечение опухолевых заболеваний 17
2.2. Транспортировка препаратов к поражённому органу 19
2.3. Применение магнитной жидкости в качестве рентгеноконтрастного препарата 19
Заключение 20
Список использованной литературы 21

Более пятидесяти лет назад Рональдом Розенцвейгом были синтезированы коллоидные растворы магнитных материалов. Впоследствии эти растворы получили название «магнитные жидкости (Magneticfluids)». Магнитные жидкости (МЖ) – ультрадисперсные (частицы магнитных коллоидов имеют размер порядка 10 нм.) устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. В качестве дисперсной фазы используют малые частицы таких металлов как железо, кобальт, никель, гадолиний, их разнообразные ферриты, ферромагнитныеоксиды. Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного диполь-дипольного и ван-дер-ваальсовского взаимодействий и последующего укрупнения частиц, в ка честве стабилизаторов применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ) типа олеиновой кислоты. Наночастицы ведут себя как полностью независимые постоянные магниты, поэтому полная намагниченность такой ферромагнитной жидкости равна нулю до тех пор, пока к ней не прикладывается магнитное поле.
Исследование таких жидкостей имеют большое теоретическое значение, так как связаны с решением фундаментальных физико-химических проблем, а также практическое значение, так как способствуют их применению в машиностроении, электронике, металлургической промышленности, медицине, космической технике и т.д. Сочетание свойств МЖ позволяет использовать все преимущества жидкого материала (малый коэффициент трения в контакте с твёрдым телом, возможность проникать в микрообъёмы, смачивание практически любых поверхностей и др.), в то же время, удерживая МЖ в нужном месте устройства под действием магнитного поля. Таким образом, магнитоуправляемость МЖ является ключевым свойством, обусловливающим эксплуатационные характеристики жидкостей в различных условиях применения.

1- лист бумаги; 2 – магнитопровод; 3 – сопло; 4 – насос; 5 – отсекатель.Применение для очистки от нефтепродуктовРазработка новых высокоэффективных методов и средств сбора нефтепродуктов (НП) с поверхности воды представляет собой актуальную задачу. В основе процесса сбора НП с поверхности воды лежит принцип их омагничивания путём добавления магнитной жидкости в НП и последующего отделения омагниченных НП специальными магнитными системами. Магнитная жидкость является устойчивым коллоидным раствором, быстро и равномерно растворяется в слое НП, исключая потери ферромагнитного материала. Магнитная жидкость должна быть приготовлена на жидкой основе, которая хорошо растворяется в НП и не растворяется в воде. Для этой цели наиболее пригодна магнитная жидкость на керосине. Магнитожидкостный способочистки воды от НП позволяет практически без воды собирать плёнки НП толщиной менее 10 мм.[1, с. 147-148]Смазка подшипников каченияОсновное преимущество магнитной жидкости как смазки состоит в возможности доставки смазывающей среды непосредственно в зону трения и удержания её в этой зоне с помощью магнитного поля. Для реализации этой возможности необходима соответствующая конкретной конструкции организация магнитной системы. Удержание тонкого слоя на поверхности быстро вращающего тела качения требует использования для изготовления тел качения магнитотвердых материалов с высокой остаточной намагниченностью. Но такие материалы очень хрупки и не пригодны для использования тел качения. Эту проблему можно решить, используя магнитные системы, подобные тем, которые применяют в магнитожидкостных уплотнителях. Магнитная жидкость при этом заполняет подшипник качения, а внешняя магнитная система герметизирует его. Так как в местах касания шариков с внешним и внутренним кольцами магнитное поле концентрируется, то часть магнитной жидкости всегда будет втягиваться в эти области, а внешняя магнитная система обеспечивает наличие магнитожидкостной смазки и одновременно предотвращает попадание загрязнений в подшипник.[3]ОпорыНаиболее простое техническое применение магнитной жидкости — создание на её основе магнитожидкостных опор, т. е. устройств, способных нести некоторую нагрузку и обеспечивающих наличие слоя жидкости между подвижными деталями. Принципиальная схема такого устройства содержит три элемента — источник магнитного поля, магнитную жидкость и немагнитный опорный элемент. На погруженный в жидкость опорный элемент действует магнитостатическая выталкивающая сила. Если она больше нагрузки на опорный элемент, то устройство обеспечивает его плавание.Основной характеристикой опоры является предельная нагрузка на опорный элемент, при которой ещё обеспечивается его плавание. Магнитостатическая выталкивающая сила возникает из-за перераспределения давления в жидкости под воздействием внешнего магнитного поля. Если объем магнитной жидкости достаточно велик, то на его поверхности напряжённость магнитного поля близка к нулю. В этом случае выталкивающая сила пропорциональна магнитостатическому давлению и площади сечения опоры в плоскости, перпендикулярной направлению выталкивающей силы.При достаточно большой площади опоры может быть обеспечена её работоспособность при значительных нагрузках. На рис. 6. приведена схема аксиальной магнитожидкостной опоры. Её задача — взвесить вращающуюся деталь машины, при этом обеспечив минимальные потери мощности на трение. Поскольку площадь оси такой детали, как правило, невелика, то для увеличения несущей способности опорный элемент имеет форму кольца, связанного с осью, за счёт чего возрастает его площадь. Для увеличения магнитного поля на несущей поверхности опорного элемента магнитная система выполнена таким образом, что поля рассеяния практически отсутствуют и весь магнитный поток, создаваемый магнитом, концентрируется в объёме, заполненном магнитной жидкостью. Такая конструкция значительно повышает несущую способность опоры.Рис. 6. Аксиальнаяопора:1 — магнитная система; 2 —магнитная жидкость; 3 — опора.Кроме того что взвешенная опора может свободно вращаться, существует ещё одна особенность магнитожидкостных опор: при использовании переменных источников магнитного поля их несущая способность также является переменной. Так как магнитное поле убывает при удалении от источника, то опорный элемент с заданной нагрузкой уравновешивается на некотором расстоянии от него. Изменение интенсивности источника вызывает изменение этого расстояния — при увеличении тока, питающего электромагнит, опорный элемент всплывает, при уменьшении — погружается в магнитную жидкость. Такое поведение магнитожидкостных опор может быть полезным для различного рода исполнительных устройств. [1, с.125-131;4]ПодшипникиПринцип магнитожидкостной опоры может быть применен для создания подшипников. При этом вал, взвешенный в магнитной жидкости, будет вращаться почти без трения, особенно при малых скоростях. Конструктивно магнитожидкостный подшипник выполняется в виде кольцевой магнитной системы, охватывающей вал, а зазор между ними заполнен магнитной жидкостью. Но если в магнитожидкостных уплотнителях магнитное поле концентрировалось в малой области, то в подшипнике требуется совсем другая организация магнитной системы — магнитное поле должно быть достаточно большим на всей площади опоры, так как с ростом величины поля и площади опоры несущая способность подшипника возрастает. При этом требуется такая организация магнитного поля, которая обеспечивает максимально быстрое его уменьшение в радиальном направлении. Тогда при смещении вала от концентричного положения, в котором несущая способность подшипника равна нулю, поле на одной его стороне будет увеличиваться, а на другой— уменьшаться. Рис. 7. Схема магнитожидкостного подшипника: а – для немагнитного вала; б –для магнитного вала; 1 – корпус; 2 – магниты; 3 – немагнитные подставки; 4- вал; 5 – магнитная жидкость.Варианты конструкций, отвечающих указанным требованиям, представлены на рис.7. За счёт периодического изменения поверхности магнитов достигается большое поле на их поверхности, которое уменьшается по мере удаления от неё вдоль магнитной системы. Хорошим приближением к реализации магнитной системы с вращающимся вектором намагниченности является система магнитов с поворотом вектора М на 90° при переходе к соседнему магниту. В такой системе магнитное поле на поверхности на 40 50% выше, чем при чередовании направления намагниченности на 180°, поэтому представляется перспективным её использование для создания магнитожидкостных опор и подшипников.[1, с. 125-131]ДемпферыШироко известно применение гидравлических демпферов для гашения колебаний или торможения движения за счёт вязкой диссипации. При использовании в качестве диссипативной среды магнитных жидкостей такие демпферы могут, как найти новые области применения, так и существенно улучшить характеристики традиционных конструкций. Хотя вязкость магнитных жидкостей мало изменяется в магнитном поле (на 20—40%) и этот эффект слабо влияет на характеристики демпфирования движения, конструкции магнитожидкостных демпферов могут эффективно использовать тот же эффект, который используется в опорах и подшипниках - модификацию выталкивающей силы.В ряде конструкций для демпфирования используется жидкость, заполняющая узкий зазор между двумя поверхностями, одна из которых связана с источником движения. При этом важным моментом является гарантированность существования зазора, а так же исключение касания поверхностей и их заклинивания. В магнитожидкостных демпферах эта проблема легко решается, если одна из поверхностей является источником магнитного поля, а вторая выполнена из немагнитного материала. В этом случае между ними возникает сила отталкивания, которая и гарантирует зазор. В качестве примера можно привести конструкцию инерциального демпфера (рис. 8а.), в котором демпфирующий элемент представляет собой магнит, левитирующий в магнитной жидкости и вследствие этого он не касается стенок. Вращательное движение корпуса вызывает движение жидкости в зазоре и благодаря вязкой диссипации затухает. Этот эффект так же может быть использован в поршневом демпфере (рис. 8б.). За счёт магнитной жидкости, находящейся в поле постоянных кольцевых магнитов, осуществляется центровка немагнитного поршня, что обеспечивает равномерность зазора между поршнем и цилиндром, а повышенная вязкость магнитной жидкости улучшает характеристики демпфирования в области собственных частот системы, исключая резонансные явления.[1, с. 131-136; 3, c. 211-215]а)б)Рис.8а. Инерциальный демпфер:1 — двигатель; 2 — немагнитный корпус; 3 — магнитная жидкость; 4 — плавающий постоянный магнит.Рис.8б. Поршневой демпфер:1 — алюминиевый вал с поршнем; 2— постоянные магниты; 3 — проставки; 4 — магнитная жидкость.АмортизаторыОдной из разновидностей демпферов являются амортизаторы, назначение которых более широкое — они одновременно гасят движение и несут полезную нагрузку, т. е. объединяют функции демпфера и опоры. Возможны различные способы создания опор с использованием магнитных жидкостей и различные способы демпфирования. За счёт их комбинации возможны многочисленные варианты магнитожидкостных амортизаторов.Известна, например, одна из первых конструкций пневматических опор с использованием магнитных жидкостей (рис. 9а). Рис. 9а. Пневматическая опора с использованием магнитной жидкости:1 — магнитный корпус, несущий нагрузку; 2 —постоянный кольцевой магнит; 3 — магнитная жидкость; 4 — немагнитная платформа; 5 — газовая полость повышенного давления.Опора работает следующим образом: при повышении нагрузки на несущий корпус давление газа в полости возрастает. Так как магнитная жидкость обеспечивает герметичность газовой полости, то между корпусом и платформой всегда (до определённого давления газа, которое способна удержать магнитная жидкость) существует газовая прослойка, обеспечивающая свободное перемещение устройства вдоль платформы. Комбинация такой схемы с поршневым пневматическим демпфером позволяет создать амортизатор с высокой несущей способностью и хорошими амплитудно-частотными характеристиками. Конструкция такого амортизатора представлена на рис. 9б. Стрелками на рисунке указано направление распространения магнитного потока, который концентрируется между поршнем и корпусом. В этой же зоне собирается магнитная жидкость, разделяя тем самым воздушные полости. При ходе поршня, например, в сторону полости6 в ней повышается давление, а в полости 7 понижается до тех пор, пока перепад давлений не достигнет критической величины, удерживаемой уплотнением. Затем происходит прорыв уплотнения, давления уравниваются и процесс повторяется снова. При движениях штока в обратную сторону происходит аналогичный процесс. При сжатии и расширении воздуха происходит диссипация энергии движения поршня. Такойамортизатор при нагрузке 75 кг имеет хорошие виброизолирующие характеристики при частотах свыше 3 Гц и очень слабо выраженный резонанс на низких частотах.В ряде случаев для гашения высокочастотных колебаний предлагается использовать амортизатор типа опоры, состоящей из отдельных элементов, так что магнитная жидкость имеет свободную поверхность. Такие амортизаторы имеют низкий коэффициент жёсткости и, как следствие, низкие собственные частоты, что позволяет предположить их преимущественное использование для гашения низкочастотных колебаний.[3, c. 211-215]Рис. 9б. Пневматический амортизатор:1, 10 — немагнитные крышки; 2 — магнитная жидкость; 3— ферромагнитный корпус; 4 — поршень; 5 — шток; 6,7 — воздушные полости; 8 — крышка; 9 — источникмагнитного поля.12 Датчик угла наклонаПринцип действия устройств такого рода показан на рис 10. В U-образной трубке находится магнитная жидкость. На одном колене трубки имеются первичная и вторичная обмотки, образующие дифференциальный трансформатор. Когда по первичной обмотке проходит переменный ток, во вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение. Уровень магнитной жидкости достигает примерно половины высоты обмотки трансформатора. Очевидно, что напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, зависит от взаимной индукции первичной и вторичной катушек: чем больше коэффициент взаимной индукции, тем выше напряжение.Когда контролируемая поверхность расположена горизонтально (рис.10а.), уровни магнитной жидкости на обоих коленах трубки одинаковы. Как только поверхность приобретает наклон (рис.10б.), уровни жидкости меняются, причём изменения высоты столба магнитной жидкости на стороне трансформатора, приводит к изменению взаимной индукции и, следовательно, изменению напряжения во вторичной обмотке. По этому изменению напряжения можно определить угол наклона поверхности.[3, c. 211-215]Рис.10.Схема действия датчика угла наклона объекта: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – U-образная трубка; 4 – магнитная жидкость.Трансформатор с магнитной жидкостьюОдним из основных элементов системы электроснабжения является силовой трёхфазный трансформатор, состоящий из Ш-образного магнитопровода, первичной и вторичной обмоток. Недостатком этого устройства является невозможность автоматического плавного регулирования и поддержания напряжения на вторичных обмотках, что ограничивает возможности трансформатора. Для исключения недостатков классического трансформатора предлагается снабдить его ёмкостью с магнитной жидкостью, стержни магнитопровода трансформатора выполнить полыми и соединить при помощи трубопровода через гидронасос с ёмкостью. Гидронасос управляется реверсивным выключателем, регулируемым устройством сравнения. В стенке магнитопровода на уровне верхней кромки полости выполнены отверстия для сообщения с атмосферой. Это позволяет перекачивать магнитную жидкость из ёмкости в полости и обратно и тем самым изменять уровень магнитной жидкости во внутренних полостях магнитопровода. Одновременно с уровнем жидкости меняется индуктивность и, соответственно, магнитное сопротивление магнитопровода. Как следствие — изменение потокосцепления обмоток, приводящее к изменению коэффициента трансформации и напряжения на выводах устройства. Конструкция и основные элементы трансформатора представлены на рис.11.Рис.11.