鐵磁流體力學
正文
研究鐵磁性流體在外磁場和溫度梯度作用下的流動和傳熱過程的一門新興學科。鐵磁流體是把經過表面活性劑處理過的超細鐵磁粒子均勻分散在流體載體中而構成的混合液。為使其中的鐵磁粒子在重力、離心力（見相對運動）和強磁場長期作用下不凝聚、不沉澱，鐵磁粒子的直徑應小於15納米，表面活性劑厚度和粒子直徑之比應不小於0.2，粒子的數密度約為1017～1018厘米-3。這樣就可把鐵磁流體看作連續介質。按流體載體的導電性能，鐵磁流體可分為導電的（流體載體為水銀、鎵合金等等）和不導電的（流體載體為水、煤油、碳氫化合物、氟化碳等等）兩種。鐵磁流體的性質取決於鐵磁粒子的磁特性和流體載體的物理特性。與通常固體鐵磁體不同，鐵磁流體具有超順磁性：有外加磁場時，立即顯示強磁性；去掉外加磁場時，則整體去磁。鐵磁流體的磁化強度M（表征介質磁性“強度”的一種尺度）隨外加磁場強度H的增加而增大，並趨向飽和磁化強度MS（圖1）。在一定外加磁場下，鐵磁流體的磁化強度與鐵磁粒子的體積濃度成正比。無外加磁場時，鐵磁流體的動力粘性係數μH同鐵磁粒子的濃度有關。有外加磁場時，其動力粘性係數隨場強增加而增大，並趨向某一定值，其中平行於流動方向v的磁場所引起的粘性係數增值大於垂直於流動方向的磁場所引起的粘性係數增值（圖2）。
早在18世紀下半葉，英國自然哲學家G.奈特在磁學研究中就意識到鐵磁流體的重要性和套用的可能性。他試圖將鐵粉撒入水中製取鐵磁流體，但未成功。20世紀60年代初，S.S.帕佩耳和R.E.羅森斯韋克等明確提出鐵磁流體力學理論。帕佩耳首先把鐵磁流體用於在失重條件下控制燃料的注入。由於人工製備鐵磁流體獲得成功，鐵磁流體的套用迅速向各科技領域滲透，鐵磁流體力學的理論和實驗研究才取得進展。
基本方程組 鐵磁流體力學基本方程組和普通流體力學基本方程組比較，有兩點不同：運動方程須加磁力效應項；能量方程須加磁熱效應項。此外，還需引入靜磁學方程，便可構成描述鐵磁流體的基本方程組（見流體力學基本方程組）。
鐵磁流體中的磁力來自其中的鐵磁粒子，這些粒子受到磁力作用有相對於流體滑移的趨勢，從而帶動整個流體運動。磁矩為M的鐵磁流體在磁場強度H作用下，每單位體積的磁力為μe0(M·墷)H (μe0為真空磁導率)，這就是磁力效應的修正項。鐵磁流體的流動不是絕熱的。磁場變化時，鐵磁流體中的鐵磁粒子被加熱，導致流體溫度的變化，磁場變化越大，溫度變化也越大，此即磁熱效應。
在均勻磁場中的無粘性不可壓縮鐵磁流體，其溫度均勻分布，流體元的磁化強度與外加磁場方向一致。對於這種鐵磁流體在重力影響下的定常無鏇流動，其基本方程可大為簡化。積分它的運動方程後，可得到鐵磁流體力學的廣義伯努利方程（見伯努利定理）：
套用 目前大致可分為四個方面：
①遙控定位 利用作用在鐵磁流體上的力定位和控制物體。因鐵磁流體有磁力效應，故可用電磁鐵或永久磁鐵遙控定位內含鐵磁粒子的潤滑劑或阻尼液體。這種效應可用在動力密封軸承和阻尼器等方面。這是鐵磁流體技術套用最廣的方面。
②分離物質 利用作用在鐵磁流體中物體上的力分離比重不同的物質。磁場對鐵磁流體的壓力分布有強烈影響。如果磁場強度發生變化，則鐵磁流體中的壓力分布也發生變化，其效果就相當於改變鐵磁流體的表觀比重，使浸沒在其中的比重不同的物體或沉或浮。比重差分離裝置就是基於這種原理製成的。有些國家已用這種設備從礦渣、爐渣和廢料中分離出各種有色金屬及其他有用物質。
③製造特殊墨水 鐵磁流體是強磁化的流體，這種流體介質易於流動，對磁場特別敏感，因此用鐵磁流體製成的特殊墨水,可用來印刷文字、描繪曲線和圖形,並可望取代現行電子計算機的讀出裝置。
④進行能量轉換 利用磁對流現象可把熱能轉換成機械能。在封閉系統的一端加熱,鐵磁流體溫度升高,磁化強度減小，產生不平衡磁體力，導致磁對流。磁熱管、磁熱泵和磁熱發電都是基於這個原理。
參考書目
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