Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 217

Magnetické kapaliny a jejich uplatnění v tepelných systémech

Magnetické kapaliny (angl. ferrofluids) jsou v podstatě kapaliny plné velmi malých kovových pilinek dokonale s kapalinou promísených, které se neusazují ani neshlukují. Pokud se taková kapalina dostane do blízkosti silného magnetického pole, její vlastnosti se začnou dramaticky měnit. Pomocí silného permanentního magnetu je možné ji dokonce vytáhnout po stěně nádoby vzhůru. Díky svým jedinečným vlastnostem umožňují magnetické kapaliny rozvoj nových technologií a zařízení. Je jím i speciální systém řízení přenosu tepla v „tepelných trubicích“ (heat pipes) pomocí magnetického pole.

Fotogalerie (4)
Feromagnetické nanočástice uspořádané ve směru siločar magnetického pole vytvářejí v magnetické kapalině typické „bodlinky“

Představme si kapalinu, např. olej nebo vodu, ve které jsou rozptýlené miniaturní feromagnetické nanočástečky o rozměrech okolo 10 nm. Jsou tak malé, že přirozený tepelný (Brownův) pohyb jim nedovolí, aby se usazovaly u dna nádoby. Na jejich povrch jsou navíc uměle navázány několik nanometrů dlouhé polymerní řetězce, které jako miniaturní tykadélka drží od sebe jednotlivé částice i v silném magnetickém poli.

Magnetická kapalina je tedy velmi jemná a dlouhodobě stabilní disperze – koloidní roztok, který se svými vlastnostmi velmi blíží pravým roztokům. Nosnou kapalinou je zde obvykle minerální nebo silikonový olej, kerosin, voda aj. Pevné částice bývají často oxidy železa, např. Fe3O4 (magnetit) nebo Fe2O3 (maghemit). Normálně jsou tyto feromagnetické částice náhodně rozptýlené a náhodně orientované v objemu kapaliny. Pokud se ale v blízkosti objeví magnetické pole, částice se uspořádají ve směru siločar a kapalina je spolu s nimi vtahována do oblasti s co nejprudší změnou magnetického pole (obr. 1). Klíčové pro dlouhodobou stálost magnetických kapalin jsou pomocné látky zajišťující dobré navázání kapaliny na povrch částic, tzv. surfaktanty.

Kapalina, kterou je možné rozpohybovat pomocí magnetu

Navenek je možné pozorovat, jak magnetická kapalina ochotně následuje pohybující se permanentní magnet i proti zemské přitažlivosti (obr. 2), nebo naopak jak lze její proudění přerušit pomocí permanentního magnetu. Testují se možnosti cíleného navádění účinných látek v lidském těle přímo na potřebné místo. V přítomnosti magnetického pole také výrazně narůstá viskozita magnetické kapaliny, čehož se již dlouho a s úspěchem využívá v adaptivních systémech tlumičů automobilů. Obsažené kovové částice také zlepšují odvod tepla, což například pomáhá chladit reproduktory a nově se testuje také využití v distribučních transformátorech. Tím však výčet zajímavých vlastností magnetických kapalin nekončí. Tělesa ponořená v magnetické kapalině jsou v magnetickém poli nadnášena tzv. ferohydrostatickou vztlakovou silou. Tato síla není závislá na materiálu tělesa a za určitých podmínek (podstatný je vztah mezi hustotou tělesa a hustotou kapaliny, intenzita magnetického pole a její gradient) dovolí tělesu vznést se ode dna nádoby, popř. i vyplavat a zůstat na hladině. V současné době se testuje metoda kontinuální hustotní analýzy hnědého uhlí, která je na tomto principu založena. Zatím nejběžnější aplikace magnetických kapalin – fluidní těsnění – vychází ze silové fixace magnetické kapaliny ke zdroji magnetického pole (např. permanentní magnet). Tímto způsobem je např. možné pomocí olejové magnetické kapaliny prachotěsně uzavřít ložisko a navíc ho i mazat, nebo vytvořit tlakový uzávěr kolem rotující hřídele, který vydrží rozdíl tlaku 100 kPa i více.

Magnetické kapaliny se zkoumají i v Praze

Na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT v Praze probíhá v současné době výzkum magnetických kapalin zaměřený na jejich využití ve speciálních tepelných systémech – tepelných trubicích (angl. heat pipes). Tato zařízení dokáží velmi efektivně přenášet teplo na principu uzavřeného dvoufázového koloběhu pracovní látky, a to bez potřeby dalšího zdroje energie. Zatímco v dřívějších dobách byly tepelné trubice doménou především hi‑tech zařízení a technologických procesů, v současné době si úspěšně razí cestu do oblasti běžné spotřební elektroniky. Dnes se s nimi běžně setkáváme např. v notebooku nebo stolním PC, kde odvádějí ztrátové teplo z CPU nebo z grafické karty (obr. 3).

Představme si nyní, že uvnitř tepelné trubice bude místo běžné pracovní látky (voda, ethanol, dusík apod.) magnetická kapalina. Ta v blízkosti magnetického pole výrazně mění své vlastnosti a silově na něj reaguje. Pomocí vnějšího magnetického pole by tedy bylo možné ovlivňovat děje probíhající uvnitř tepelné trubice a tím i regulovat transport tepla.

Slibná budoucnost zatím bez záruky

Metoda řízení přenosu tepla pomocí magnetického pole je prozatím ve fázi vývoje a testování. V předchozích pokusech provedených na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT se tuto metodu podařilo již úspěšně aplikovat na tepelnou trubici naplněnou čistým kyslíkem (obr. 4), který je v kapalném stavu silně paramagnetický. Než však bude možné tepelné trubice s magnetickými kapalinami využít v reálných zařízeních je ještě třeba urazit dlouhý kus cesty při jejich vývoji a testování.

Filip Cingroš vystudoval magisterský studijní program Technologické systémy na Fakultě elektrotechnické, ČVUT v Praze, kde nyní dále studuje doktorský program na katedře elektrotechnologie. Má za sebou několik úspěšných výzkumných úkolů, např. Návrh a realizace výkonového tranzistorového měniče pro aktivní filtr účiníku, či Diagnostika a optimalizace elektromagnetických ventilů. Působí jako lektor vzdělávacího programu Elektromagnetická kompatibilita a učitel technických předmětů v anglickém a českém jazyce. V soutěži Cena Nadace ČEZ zvítězil v r. 2010 s projektem Magnetické kapaliny v kategorii Elektrotechnologie a měření a v r. 2011 získal ve stejné kategorii druhé místo za projekt Levitace v magnetických kapalinách. Jeho koníčky jsou vysokohorská turistika, společenský tanec a fotografovaní.

Projekt magnetických kapalin a speciálních tepelných trubic se zúčastnil posledních dvou ročníků národního finále soutěže Cena Nadace ČEZ o nejlepší vysokoškolský vědeckotechnický projekt. Zde se setkal s velkým zájmem odborné i laické veřejnosti a byl kladně hodnocen z hlediska vysoké míry inovačního potenciálu.

Zdroje:

[1] Cingroš, F.: Levitace v magnetických kapalinách. Sborník soutěže Cena nadace ČEZ 2011, Praha, 2011

[2] Cingroš, F.: Magnetické kapaliny. Sborník soutěže Cena nadace ČEZ 2010, Praha, 2010

[3] Cingroš, F., Hron, T.: Working Fluid Quantity Effect on Magnetic Field Control of Heat Pipes. Časopis Acta Polytechnica, č. 2‑3/2009

[4] Mayer, D.: Magnetické kapaliny a jejich použití I a II. Časopis Elektro, č. 3, 4 / 2007

Filip Cingroš
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Naše první slova

Původ řeči je jednou z největších záhad lidstva. „Na začátku bylo slovo...“ praví Bible. Ale jaké? Minimálně od biblických časů jsme se snažili rozluštit původ lidské řeči. Je to konec konců jedna z charakteristik, která nás odlišuje od jiných živočichů.

Černá smrt gumy a jak jí čelit

Guma je jedním z neopěvovaných velkých hrdinů průmyslové revoluce. Kromě jejích obvyklých aplikací, jako jsou pneumatiky, kondomy, elastické spodní prádlo, apod., představuje základní složku asi ve 40 000 výrobcích, včetně absorbérů nárazu, hadic, lékařských nástrojů, těsnění, atd.

Z historie i současnosti vynálezů a jejich ochrany

Vynálezy a objevy často přicházejí na svět klikatými cestičkami. Jednou to vypadá, jako by se na ně čekalo tak netrpělivě, že se zrodí hned v několika hlavách v různých koutech světa, jindy je náhodou nebo omylem objeveno něco, s čím si nikdo neví rady.

Jak vyčíslit ekonomické přínosy jádra? A co na to evropský jaderný průmysl?

Společnost Deloitte vypracovala pro Euratom studii o přínosech jaderné energetiky v roce 2019 a 2050. V současné době je v provozu ve 14 zemích EU 126 komerčních reaktorů o výkonu 118 GWe. Do roku 2050 by měl jejich výkon stoupnout na 150 GWe, budou se ale muset snížit investiční náklady.

Astronauti se pořád ptali: Jak se daří myškám?

Myši, švábi, japonské křepelky, ryby, škeble, rostliny.... ti všichni měli možnost ochutnat Měsíc! Po návratu Apolla 11, od jehož mise letos uplynulo 50 let, putovalo množství vzácných vzorků měsíční horniny do laboratoří.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail