Ferrofluido entre placas de vidrio: ¿qué está pasando?

Hay un fenómeno con el que me encontré recientemente y estoy tratando de entender qué está pasando con él. Cuando tienes una capa delgada de ferrofluido entre dos placas de vidrio y acercas y alejas un imán, obtienes una transición realmente interesante entre dos estados. Cuando el imán está a distancia, el fluido se descompone en gotas grandes como esta:

imán lejano

…pero cuando el imán está más cerca, las gotas se fusionan en finos zarcillos, muy parecidos a los que se obtienen en un proceso de reacción-difusión.

cerrar imán

Mi pregunta es: ¿qué fuerzas están en juego aquí? Supongo que las gotas/zarcillos se mantienen unidos por la tensión superficial, pero parecen estar repeliéndose entre sí, ¿están actuando como imanes individuales? Si es así, ¿qué hace que permanezcan juntos en lugar de que la repulsión intra-blob los rompa?

Podría deberse al hecho de que las partículas individuales en cada gota son mucho más libres para moverse a lo largo de las líneas del campo magnético que perpendicularmente a ellas; esto hace que la gota se extienda a lo largo de las líneas de campo, lo que, debido a que la gota tiene un volumen finito, necesariamente significa que se contrae de forma perpendicular a las líneas de campo. Entonces, las gotas no se repelen entre sí, solo se ajustan individualmente a las líneas de campo externas.
Caramba, ¡esto sería una prueba interesante de Rorschach!

Respuestas (2)

Creo que el comportamiento se puede entender simplemente considerando las energías de las diversas configuraciones. En el estado inicial, tiene gotas relativamente grandes porque el ferrofluido está principalmente tratando de minimizar la energía de tensión superficial. Pero cuando sometes el ferrofluido intercalado a un fuerte campo magnético, se induce una gran cantidad de magnetización en el ferrofluido ya que los ferrofluidos, como todos los materiales ferromagnéticos, tienen una permeabilidad magnética muy alta. Entonces tenemos la situación que se muestra en el lado izquierdo del diagrama a continuación.

ingrese la descripción de la imagen aquí

El problema es que esta no es una configuración energéticamente muy favorable porque todos esos polos "N" están tratando de repeler a otros polos "N" cercanos, y todos esos polos "S" están tratando de repeler a otros polos "N" cercanos. Mucho más energéticamente favorable para que el fluido se rompa en zarcillos como se muestra en el lado derecho del diagrama.

Tenga en cuenta que el mismo tipo de cosas tiende a ocurrir con materiales ferromagnéticos sólidos. El estado de energía más bajo de una pieza sólida de material ferromagnético es que los dominios magnéticos se organicen en pequeños dominios orientados al azar. Esta disposición minimiza la energía magnética del material. Es altamente desfavorable energéticamente que una pieza sólida de material ferromagnético se magnetice como un gran dominio magnético orientado en una sola dirección. La razón por la que pueden existir tales ferroimanes altamente magnetizados es que el material está fuertemente dopado con sitios de fijación que evitan que los grandes dominios magnéticos se rompan y se reorganicen en dominios magnéticos más pequeños y orientados al azar.

Entonces, en otras palabras, a medida que el campo magnético se vuelve más fuerte, los zarcillos/manchas se rompen en pedazos más pequeños porque la fuerza de la repulsión supera la de la tensión superficial.
@NoahWitherspoon - Exactamente. Además, puede que ya haya un poco de repulsión magnética en el ferrofluido incluso cuando el campo externo es cero ya que, después de todo, el fluido está formado por partículas magnéticas, y eso puede explicar por qué el fluido parece descomponerse en partículas de tamaño más grueso. manchas incluso bajo un campo cercano a cero en su primera imagen. Sin embargo, si se aplica un fuerte campo magnético externo, la tendencia a romperse aumenta aún más debido a la magnetización inducida.
@NoahWitherspoon - Observación final: parece que los ferrofluidos son interesantes porque pueden hacer fácilmente lo que los materiales ferromagnéticos sólidos generalmente no pueden hacer: reorganizarse para minimizar su energía magnética. Los ferroimanes sólidos quieren minimizar su energía magnética, pero a menudo se les impide hacerlo debido a los sitios de fijación magnética en ellos, mientras que los ferrofluidos pueden, si se les permite, fluir libremente en una nueva configuración para minimizar su energía magnética, como lo ilustró dramáticamente su experimento.

la apariencia de gotas grandes/manchas es causada por el hecho de que el líquido probablemente no "moja" muy bien las superficies de vidrio. En este caso, las gotas de fluido actúan bajo la influencia de su tensión superficial, que tiende a darles formas redondas y, si se les da la oportunidad, a fusionarse en gotas circulares más grandes.

Además, la razón por la que algunas de esas manchas parecen pequeños círculos y otras se asemejan al páncreas aplastado de un lémur de la jungla es que cuanto más juntas presionas las láminas de vidrio, más pareces un páncreas aplastado y más separadas. las hojas de vidrio son, más obtienes las manchas circulares.

Al ser un ferrofluido, su imán externo actúa fuertemente sobre ese líquido y, a pesar de estar confinado en un espacio donde los efectos de la tensión superficial son dominantes, el fluido se esfuerza mucho por rastrear las direcciones de las líneas de campo producidas por el imán. lo que obtienes es un tira y afloja entre las fuerzas magnéticas y de tensión superficial, ¡lo que parece muy divertido para jugar!

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