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FLUIDOS MAGNÉTICOS Y SU IMPORTANCIA.
Camilo Cárdenas M. 245507 Principios de Electricidad y Magnetismo Grupo 10NL05
Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. D.C., Colombia
Este escrito ilustra acerca de los fluidos magnéticos, los cuales están hechos a base de magnetita mineral y se subdividen en fluidos magneto-reológicos, fluidos electroreológicos y los ferro-fluidos. Todos ellos presentan comportamientos físicos al aplicárseles un campo magnético, lo que es de vital importancia para responder a el
interés principal de resolver el problema de la supresión de vibraciones, particularmente el de las grandes obras civiles (puentes, estructuras, vías, etc.) lo cual es un
atractivo para la ingeniera. En la literatura a estos compuestos se les conoce como fluidos inteligentes o fluidos ajustables.
Palabras clave: Fluido magneto-reológico; magnetita mineral; amortiguador magneto-reológico, viscosidad, reología, anisotropía
INTRODUCCIÓN
La reología es la ciencia que estudia la deformación de
substancias bajo el efecto de fuerzas. Esta se limita normalmente
a materiales que no obedecen a la Ley de viscosidad de Newton
y a la Ley de Hooke [4].♦
En los años cincuenta el descubrimiento inicial y el desarrollo de
los fluidos y dispositivos magnetoreológicos se deben a dos
descubridores de apellidos Rabinow y Winslow gracias a la
obtención de una patente de un embrague magneto reologico y
de otros mecanismos para la transmisión de fuerzas.
Posteriormente se realiza los primeros estudios de los fluidos
electro-reológico y los fluidos magneto-geológicos. Winslow encuentra
que la viscosidad en estos sistemas depende del cuadrado del
campo aplicado y propone que esta dependencia se debe a las
estructuras fibrosas formadas por las partículas al estar sometidas
al campo aplicado.
En las publicaciones hechas en los años sesenta por Klass y
Martinek se ilustran sistemas de fluidos electro-reológico bajo la
acción de distintos campos eléctricos, posiblemente inspirados
en los fluidos magneto-geológicos. Por este tiempo también se
sintetizaron los primeros ferrofluidos que mostraron ser muy
estables a la sedimentación y por poseer una viscosidad
dependiente del campo magnético. No obstante, se observó que
a pesar de las semejanzas con los fluidos magneto-geológicos, su
comportamiento y descripción física tenían que ser diferentes a
las de aquellos.
En experimentos con un determinado ferrofluido, se encuentra
una anisotropía (o Cualidad de un medio, generalmente cristalino, en el
que alguna propiedad física depende de la dirección de un agente) en la
viscosidad siendo esta 2 veces mayor cuando usa un campo
paralelo al flujo que cuando usa un campo perpendicular a este.
MacTague (quien hizo este hallazgo) plantea que la disipación en
los ferrofluidos proviene de la fricción de las partículas con las
capas del surfactante y el líquido que las rodean. Esto es debido a
los movimientos rotacionales ocasionados por el campo
magnético y la interacción con otras partículas.
El interés por saber de los ferrofluidos inicio en los años 80 con
la publicación de un libro titulado Ferrohydrodynamics, el cual habla
de los ferrofluidos, también crece un interés por estudiar los
fluidos magneto-reológicos y los fluidos electro-reológicos, y se
notifican de algunos trabajos sobre la reología de estos fluidos y
sus posibles aplicaciones. Los ferrofluidos se sintetizan a partir
del hierro, óxidos de hierro (magnetita) y algunas aleaciones de
hierro-carbón.
Actualmente hay un interés por obtener fluidos magnetoreológicos que experimenten grandes cambios en sus
propiedades mecánicas, lo cual es anhelado para algunas de las
aplicaciones. En este contexto es importante profundizar en el
estudio de la dependencia de las propiedades mecánicas de los
fluidos magneto-reológicos con factores como el tamaño de las
partículas y características de las estructuras formadas por estas al
aplicárseles un campo magnético.
De los ferrofluidos existe un importante fenómeno como el
‘cambio de la intensidad magnética con la temperatura’ originado por una
disminución en la magnetización. A temperaturas inmediatas al
punto de Curie, el mínimo aumento en la temperatura fija una
cuantiosa reducción en la magnetización. Esto se debe a que la
agitación térmica obstaculiza la alineación paralela de los
momentos magnéticos dipolares individuales internamente de
cada dominio magnético. Por ser la temperatura una medida de
la no ordenación o desorden, una muestra de material que esté
aislada térmicamente del medio que la rodea debe enfriarse
cuando se magnetiza.
FLUIDOS MAGNÉTICOS
Figura 1. Imagen de un fluido electromagnético deformándose por la presencia de un campo
magnético.
Son materiales que responden a la aplicación de un campo
magnético con un cambio en su comportamiento reológico y
están formados por partículas magnetizables finamente divididas
y suspendidas en un líquido portador (como aceite mineral).
Estos fluidos se pueden subdividir en: ferro-fluidos si sus
partículas son del orden de 3 a 15 nm; o fluidos magnetoreológicos si están en el orden de 0.05 a 8 micrones [2].
Los fluidos magneto-reológicos obedecen a la presencia de un
campo magnético respondiendo con una alteración en su
conducta reológica. Lo común es que este cambio se evidencia
con el desarrollo de un esfuerzo producido monotónicamente
que crece con el campo empleado. De aquí nace la virtud para
suministrar una simple, silenciosa y rápida respuesta en la
interface entre controles electrónicos y sistemas mecánicos.
Los fluidos magneto-reológicos son compuestos que aprecian
notables cambios reversibles en sus propiedades mecánicas,
especialmente su viscosidad, cuando son expuestos a un campo
magnético externo. Dichos fluidos están compuestos
principalmente de macropartículas magnetizables y un líquido,
generalmente un aceite inorgánico newtoniano de baja
viscosidad.
En ausencia de campo magnético, las partículas se encuentran
dispersas en el líquido y el sistema tiene un comportamiento
newtoniano. Al aplicar un campo magnético, el sistema deja de
ser newtoniano y adquiere características visco-elásticas. Esto
quiere decir que, si el esfuerzo cortante aplicado al sistema es
menor a un valor crítico denominado modulo de cesión, el sistema
se comporta elásticamente y por tanto no fluye. Si el esfuerzo
cortante es mayor al modulo de cesion, entonces el sistema fluye,
siendo su viscosidad dependiente del campo magnético y de la
rapidez de corte.
El módulo de cesion depende de la intensidad del campo
magnético, para algunos sistemas se alcanzan valores alrededor
de 100 kPa. No sólo la viscosidad cambia, sino también otras
propiedades físicas, tales como las térmicas, ópticas, magnéticas
y elásticas.
Al aplicar un campo magnético sobre el fluido magnetoreológico se induce un momento dipolar en las macropartículas,
estas interactúan atractiva o repulsivamente de acuerdo a la
posición relativa que los momentos dipolares guarden entre si.
Se observa la formación de estructuras alargadas orientadas en la
dirección del campo magnético aplicado y distribuidas
uniformemente. Aunque es común que en dispersiones de
cualquier tipo la formación de estructuras facilite la
sedimentación, en los fluidos magneto-reológicos la distribución
uniforme de estructuras se mantiene mientras esté presente el
campo magnético. Esto se logra en parte porque los extremos de
las estructuras formadas se unen a las paredes laterales del
recipiente que contiene al fluido magneto-reológico, creando
lazos o puentes que brindan soporte a las estructuras frente a la
sedimentación. Las interacciones laterales repulsivas entre estas
estructuras también contribuyen a mantener la distribución de
estas. Si se apaga el campo magnético, las estructuras se
sedimentan rápidamente. Para evitar o reducir este efecto se
usan surfactantes, los cuales disgregan las estructuras y permiten
que las partículas continúen en dispersión. La estabilidad de la
dispersión es uno de los mayores problemas que enfrenta la
preparación de los fluidos magneto-reológicos.
Las características de las estructuras dependen principalmente de
la intensidad del campo aplicado, la concentración de las
partículas magnéticas y las condiciones de flujo. Las estructuras
formadas tienen una riqueza estructural mayor y pueden ser
descritas como columnas y/o estructuras fibrosas.
Cuando una estructura se inclina, la orientación relativa de los
momentos dipolares cambia, disminuyendo las interacciones
atractivas entre las partículas. Como resultado las estructuras son
parcialmente desintegradas. Los fragmentos de las estructuras se
reorientan con mayor facilidad en la dirección del campo y se
unen a otros fragmentos para formar estructuras más grandes,
que nuevamente las interacciones hidrodinámicas vuelven a
fragmentar, y así continuamente.
El efecto del campo magnético es formar estructuras, algunas
unen las dos placas y otras, más pequeñas, están unidas a alguna
de las placas. Esto porque se debe vencer las interacciones
magnéticas entre las partículas que mantienen unidas las
estructuras y porque se debe vencer la resistencia que opone la
viscosidad al arrastrar los fragmentos de las estructuras. Esto
implica que el esfuerzo cortante debe ser mayor y por lo tanto la
viscosidad efectiva del sistema aumenta. Si el campo magnético
se aplica en dirección paralela al flujo, las estructuras no
experimentan la dinámica que hemos descrito, por lo que no
afectan sensiblemente la viscosidad efectiva. Así la orientación
relativa de las estructuras en el flujo determina la anisótropa de la
viscosidad.
Para la descripción de algunas propiedades físicas de los fluidos
magneto-reológicos, es posible considerar al sistema compuesto
por: un líquido y las estructuras (que se comportan efectivamente
como inclusiones), cuyas propiedades físicas son determinadas
por el campo magnético.
Existe un análogo eléctrico para los fluidos magneto-reológicos, que se
denominan fluidos electro-reologicos, que consisten en dispersiones
de macropartículas dieléctricas en un líquido cuya constante
dieléctrica contrasta con la de los fluidos magneto-reológicos.
El comportamiento de los fluidos electro-reológicos es muy similar al
de los fluidos magneto-reológicos, pero tienen sus diferencias, por
ejemplo: para producir un campo eléctrico en un fluido electroreológico generalmente se usa un par de paredes conductoras,
estas actúan efectivamente como espejos de las estructuras
formadas entre ellas. El resultado de la interacción entre las
estructuras y sus imágenes es que las estructuras se comportan
como si fueran de longitud infinita. Este aspecto determina
algunas diferencias en el proceso de agregación de las partículas
para formar las estructuras en los fluidos electro-reológicos y en
los fluidos magneto-reológicos, pues en estos últimos no se da el
efecto de espejo.
También existen los llamados ferrofluidos, los cuales son
dispersiones coloidales estables de partículas ferromagnéticas en
líquidos, generalmente de baja viscosidad, tal como el keroseno.
Dichos sistemas igualmente cambian sus propiedades mecánicas
al aplicarles un campo magnético, aunque los cambios que
experimentan son inferiores a los de los fluidos magnetoreológicos. Para su preparación se usan partículas del orden de
10 nm y por su tamaño, estas partículas están constituidas por
mono-dominios magnéticos, por lo que presentan un dipolo
magnético permanente [5].
Para lograr la estabilidad de la dispersión se usa un surfactante, el
cual forma una capa alrededor de las partículas cuyo grosor es
del mismo orden de magnitud que el diámetro de las partículas,
lo cual impide que se amontonen. Cuando se aplica un campo
magnético, las partículas rotaran de tal forma que su momento
dipolar tiende a estar alineado con el campo magnético. Al
mismo tiempo interactúan con otras partículas por medio de
interacciones dipolares.
Lo anterior genera una dinámica rotacional de las partículas cuya
complejidad aumenta en condiciones de flujo. Los movimientos
rotacionales proveen al sistema de un mecanismo adicional de
disipación que se manifiesta como la viscosidad rotacional. En
condiciones de campo magnético constant,e la viscosidad
rotacional puede incrementar la viscosidad efectiva hasta en un
200%. Bajo ciertas condiciones de campo oscilatorio, los
ferrofluidos incluso pueden experimentar una viscosidad
rotacional “negativa”, fenómeno que ha motivado varios
estudios en el área. Su aplicación importante está en el área de lo
sellos herméticos.
B. Los ferrofluidos son paramagnéticos se pueden bombear
usando solamente campos magnéticos oscilatorios viajeros,
lo cual abre varias posibilidades tecnológicas.
APLICACIONES DE LOS FERROFLUIDOS [6]
D. Tanto como los fluidos magneto-reológicos y los fluidos
electro-reológicos se consideran suspensiones coloidales de
partículas polarizables que tienen un tamaño del orden de
pocos micrones.
 Diseño de impresoras con tinta de ferrofluido que son
capaces de imprimir varias páginas por minuto.
 Pinturas absorbente de señales de radar hechas a base de
sustancias ferrofluidas. El material contribuye a reducir la
sección cruzada de radar de los aviones, reduciendo la
reflexión de ondas electromagnéticas.
 Bucle cerrado como el corazón de un sistema de control de
nivel para vehículos espaciales. Se aplica un campo
magnético a un bucle de ferrofluido para cambiar el
momento angular e influir en la rotación de un vehículo
espacial.
 Medición de la viscosidad específica de un líquido colocado
entre un polarizador y un analizador, iluminados por un
láser de helio-neón.
 Detección de cáncer. También se utiliza como generador de
contrastante en las resonancias magnéticas [3].
 Los amortiguadores de la suspensión de los carros pueden
llenarse con ferrofluido en lugar de aceite convencional,
rodeando todo el dispositivo con un electroimán,
permitiendo que la viscosidad del fluido (y por ende la
cantidad de amortiguamiento proporcionada por el
amortiguador) puedan variar de acuerdo a preferencias del
conductor o la cantidad de peso que lleva el carro; incluso
puede variar de manera dinámica para proporcionar control
de estabilidad delo mismo [4]..
C. Crece el interés por sintetizar compuestos útiles para
obtener fluidos magneto-reológicos. Estos son necesarios
para resolver algunas situaciones como la estabilidad de las
dispersiones y la homogeneidad de las partículas.
BIBLIOGRAFÍA
1.
FLUIDOS MAGNÉTICOS González, Adolfo f. Cesari
Ricardo
M.
UNIVERSIDAD
TECNOLÓGICA
NACIONAL
http://www.frm.utn.edu.ar/tecnologiae/apuntes/fluidos_m
agneticos.pdf
2.
FERRO-FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES
http://users.dickinson.edu/~crouch/ferrofluidsp.pdf
3.
OBTENCIÓN
Y
CARACTERIZACIÓN
DE
FERROFLUIDOS MAGNÉTICOS Y MAGNETICOS Y
MAGNÉTOLIPOSOMAS.
http://www.inti.gov.ar/quimica/pdf/investigacion_aplicada
/obtencion_caracterizacion_ferrofluidos.pdf
4.
AMORTIGUADORES MAGNETOREOLÓGICOS.
http://www.google.com.co/url?sa=t&source=web&ct=res
&cd=25&ved=0CCQQFjAEOBQ&url=http%3A%2F%2F
ingenierias.uanl.mx%2F2%2Fpdf%2F2_Miguel_Cupich_et_
al_Amortiguadores.pdf&rct=j&q=Ferrofluidos+y+sus+pro
piedades&ei=DryS4GTA8WblgeK05CEDQ&usg=AFQjCNHJkxVYhes
KGEfKKpbgrZSyc-DYNA
5.
FERROFLUIDOS.
http://www3.fi.mdp.edu.ar/fc3/trabajosEspeciales2007/he
rmoso/informe.pdf
6.
FERROFLUIDO
http://es.wikipedia.org/wiki/Ferrofluido
CONCLUSIONES
A. Por lo que respecta a las posibles aplicaciones, el uso de
fluidos electro-reológicos tiene la ventaja de que la
generación y control del campo eléctrico es relativamente
más sencillo que la generación y control del campo
magnético. En contraparte estos fluidos resultan ser muy
sensibles a las impurezas, lo que puede dificultar su
preparación y posterior aplicación.