鐵磁流體力學(xué)基本方程組

鐵磁流體力學(xué)基本方程組和普通流體力學(xué)基本方程組比較，有兩點不同：運動方程須加磁力效應(yīng)項；能量方程須加磁熱效應(yīng)項。此外，還需引入靜磁學(xué)方程，便可構(gòu)成描述鐵磁流體的基本方程組（見流體力學(xué)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于流體滑移的趨勢，從而帶動整個流體運動。磁矩為M的鐵磁流體在磁場強(qiáng)度H作用下，每單位體積的磁力為（如為真空磁導(dǎo)率），這就是磁力效應(yīng)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(dǎo)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(yīng)。

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(qiáng)度與外加磁場方向一致。對于這種鐵磁流體在重力影響下的定常無旋流動，其基本方程可大為簡化。積分它的運動方程后，可得到鐵磁流體力學(xué)的廣義伯努利方程（見伯努利定理）：

式中p為壓力；v為流速；ρ為流體密度；g為重力加速度；z為垂直向上的坐標(biāo)；C為常數(shù)。廣義伯努利方程是鐵磁流體許多技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

鐵磁流體是把經(jīng)過表面活性劑處理過的超細(xì)鐵磁粒子均勻分散在流體載體中而構(gòu)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(qiáng)磁場長期作用下不凝聚、不沉淀，鐵磁粒子的直徑應(yīng)小于15納米，表面活性劑厚度和粒子直徑之比應(yīng)不小于0.2，粒子的數(shù)密度約為1017～1018厘米-3。這樣就可把鐵磁流體看作連續(xù)介質(zhì)。按流體載體的導(dǎo)電性能，鐵磁流體可分為導(dǎo)電的（流體載體為水銀、鎵合金等等）和不導(dǎo)電的（流體載體為水、煤油、碳?xì)浠衔铩⒎嫉鹊龋﹥煞N。

鐵磁流體的性質(zhì)取決于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(qiáng)磁性；去掉外加磁場時，則整體去磁。鐵磁流體的磁化強(qiáng)度M（表征介質(zhì)磁性“強(qiáng)度”的一種尺度）隨外加磁場強(qiáng)度H的增加而增大，并趨向飽和磁化強(qiáng)度M₃（圖1）。在一定外加磁場下，鐵磁流體的磁化強(qiáng)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系數(shù)同鐵磁粒子的濃度有關(guān)。有外加磁場時，其動力粘性系數(shù)隨場強(qiáng)增加而增大，并趨向某一定值，其中平行于流動方向v的磁場所引起的粘性系數(shù)增值大于垂直于流動方向的磁場所引起的粘性系數(shù)增值（圖2）。

早在18世紀(jì)下半葉，英國自然哲學(xué)家G．奈特在磁學(xué)研究中就意識到鐵磁流體的重要性和應(yīng)用的可能性。他試圖將鐵粉撒入水中制取鐵磁流體，但未成功。20世紀(jì)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(xué)理論。帕佩耳首先把鐵磁流體用于在失重條件下控制燃料的注入。由于人工制備鐵磁流體獲得成功，鐵磁流體的應(yīng)用迅速向各科技領(lǐng)域滲透，鐵磁流體力學(xué)的理論和實驗研究才取得進(jìn)展。

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(yīng)，故可用電磁鐵或永久磁鐵遙控定位內(nèi)含鐵磁粒子的潤滑劑或阻尼液體。這種效應(yīng)可用在動力密封軸承和阻尼器等方面。這是鐵磁流體技術(shù)應(yīng)用最廣的方面。

②分離物質(zhì) 利用作用在鐵磁流體中物體上的力分離比重不同的物質(zhì)。磁場對鐵磁流體的壓力分布有強(qiáng)烈影響。如果磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，則鐵磁流體中的壓力分布也發(fā)生變化，其效果就相當(dāng)于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于這種原理制成的。有些國家已用這種設(shè)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(zhì)。

③制造特殊墨水 鐵磁流體是強(qiáng)磁化的流體，這種流體介質(zhì)易于流動，對磁場特別敏感，因此用鐵磁流體制成的特殊墨水，可用來印刷文字、描繪曲線和圖形，并可望取代現(xiàn)行電子計算機(jī)的讀出裝置。

④進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換 利用磁對流現(xiàn)象可把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在封閉系統(tǒng)的一端加熱，鐵磁流體溫度升高，磁化強(qiáng)度減小，產(chǎn)生不平衡磁體力，導(dǎo)致磁對流。磁熱管、磁熱泵和磁熱發(fā)電都是基于這個原理。

J. L. Neuringer and R. E. Rosensweig, Ferrohydrodynamics，The Physics of Fluids，Vol. 7，No. 12，p. 1927，1964.

R. Kaiser and G. Miskolezy, Magnetic Properties of Stable Dispersion of Subdomain Magnetic Particles，Journal of Applied Physics，Vol. 41，No 3，p.1064，1970.

下飯坂潤三著，磁性流體，《日本金屬學(xué)會會報》，第15卷，No.2，p.77，1976。

很多材料都表現(xiàn)出鐵磁性，包括鐵、鈷、鎳等等。它們在居里溫度之下表現(xiàn)出鐵磁性，在居里溫度之上則顯示順磁性。

鐵磁體的應(yīng)用非常廣泛，包括：

（1）永磁鐵。很多永磁體采用鐵磁物質(zhì)作為材料。鐵磁體不容易被去磁，場強(qiáng)較高是他的最大優(yōu)點。

（2）單磁疇材料。單磁疇材料在科學(xué)研究中廣受重視。而且鐵磁材料也可以用來制作超順磁性材料，展現(xiàn)出非常不同的物理性質(zhì)。2100433B

雖然鐵磁諧振在國內(nèi)外已有很多研究成果，在電網(wǎng)運行中也采取了許多消諧措施，但小電流接地系統(tǒng)的鐵磁諧振事故卻依然頻繁發(fā)生。當(dāng)調(diào)控員誤將鐵磁諧振當(dāng)成接地或斷線故障進(jìn)行排查而延遲事故處理時，一次設(shè)備往往會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞 。

鐵磁性（Ferromagnetism）指的是一種材料的磁性狀態(tài)，具有自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。各材料中以鐵最廣為人知，故名之。

某些材料在外部磁場的作用下得而磁化后，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態(tài)而具有磁性，即所謂自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。 所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性。

基本上鐵磁性這個概念包括任何在沒有外部磁場時顯示磁性的物質(zhì)。至今依然有人這樣使用這個概念。但是通過對不同顯示磁性物質(zhì)及其磁性的更深刻認(rèn)識，學(xué)者們對這個概念做了更精確的定義。 一個物質(zhì)的晶胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時才被稱為是鐵磁性的。 若其不同磁性離子所指的方向相反，其效果能夠相互抵消則被稱為反鐵磁性。 若不同磁性離子所指的方向相反，但是有強(qiáng)弱之分，其產(chǎn)生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性。

物質(zhì)的磁性現(xiàn)象存在一個臨界溫度，在此溫度之上，鐵磁性會消失而變成順磁性，在此溫度之下鐵磁性才會保持。 對于鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)，此溫度被稱為居里溫度（雖然都稱為居里溫度，但二者是有差別的）；對于反鐵磁性物質(zhì)，此溫度被稱為奈爾溫度。

有人認(rèn)為磁鐵與鐵磁性物質(zhì)之間的吸引作用是人類最早對磁性的認(rèn)識。