Ferrofluid zwischen Glasplatten: Was ist los?

Es gibt ein Phänomen, auf das ich kürzlich gestoßen bin, und ich versuche zu verstehen, was damit los ist. Wenn Sie eine dünne Schicht Ferrofluid zwischen zwei Glasplatten haben und einen Magneten näher und weiter davon weg bewegen, erhalten Sie einen wirklich interessanten Übergang zwischen zwei Zuständen. Wenn der Magnet entfernt ist, zerfällt die Flüssigkeit in große Tröpfchen wie folgt:

Fernmagnet

…aber wenn der Magnet näher kommt, verschmelzen die Tröpfchen zu dünnen Ranken, ähnlich wie bei einem Reaktions-Diffusionsprozess.

Magnet schließen

Meine Frage ist: Welche Kräfte wirken hier? Ich nehme an, dass die Blobs/Ranken durch Oberflächenspannung zusammengehalten werden, aber sie scheinen sich gegenseitig abzustoßen – wirken sie wie einzelne Magnete? Wenn ja, was bewirkt, dass sie überhaupt zusammenbleiben, anstatt dass die Abstoßung innerhalb des Blobs sie auflöst?

Dies könnte daran liegen, dass sich die einzelnen Partikel in jedem Tröpfchen viel freier entlang der Magnetfeldlinien bewegen können als senkrecht dazu; dadurch breitet sich der Tropfen entlang der Feldlinien aus, was aufgrund des endlichen Volumens des Tropfens zwangsläufig bedeutet, dass er sich senkrecht zu den Feldlinien zusammenzieht. Die Tröpfchen stoßen sich also nicht gegenseitig ab, sondern passen sich nur einzeln an äußere Feldlinien an.
Gee, das wäre ein interessanter Rorschach-Test!

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Ich denke, dass das Verhalten verstanden werden kann, indem man nur die Energien der verschiedenen Konfigurationen betrachtet. Im Ausgangszustand hat man relativ große Blobs, weil das Ferrofluid hauptsächlich versucht, die Oberflächenspannungsenergie zu minimieren. Aber wenn Sie das sandwichartige Ferrofluid einem starken Magnetfeld aussetzen, wird im Ferrofluid eine große Magnetisierung induziert, da Ferrofluide, wie alle ferromagnetischen Materialien, eine sehr hohe magnetische Permeabilität haben. Dann haben wir also die Situation, die auf der linken Seite des Diagramms unten gezeigt wird.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das Problem ist, dass dies keine sehr energetisch günstige Konfiguration ist, da alle diese „N“-Pole versuchen, andere nahe gelegene „N“-Pole abzustoßen, und all diese „S“-Pole versuchen, andere nahe gelegene „N“-Pole abzustoßen. Für die Flüssigkeit ist es energetisch viel günstiger, in Ranken aufzubrechen, wie auf der rechten Seite des Diagramms gezeigt.

Beachten Sie, dass dies auch bei festen ferromagnetischen Materialien der Fall ist. Der niedrigste Energiezustand eines festen Stücks aus ferromagnetischem Material besteht darin, dass sich die magnetischen Domänen in willkürlich orientierten kleinen Domänen anordnen. Diese Anordnung minimiert die magnetische Energie des Materials. Es ist für ein festes Stück ferromagnetischen Materials energetisch höchst ungünstig, wenn es als eine große magnetische Domäne magnetisiert wird, die in eine einzige Richtung ausgerichtet ist. Der Grund dafür, dass solche stark magnetisierten Ferromagnete existieren können, liegt darin, dass das Material stark mit Pinning-Stellen dotiert ist, die verhindern, dass die großen magnetischen Domänen aufbrechen und sich in kleinere, zufällig orientierte magnetische Domänen neu anordnen.

Mit anderen Worten, wenn das Magnetfeld stärker wird, zerfallen die Ranken/Kleckse in kleinere Stücke, weil die Stärke der Abstoßung die der Oberflächenspannung überwindet?
@NoahWitherspoon - Genau. Auch wenn das externe Feld Null ist, kann das Ferrofluid bereits eine gewisse magnetische Abstoßung aufweisen, da das Fluid schließlich aus magnetischen Partikeln besteht, und dies könnte erklären, warum das Fluid in gröbere Teilchen aufzubrechen scheint Kleckse selbst unter einem Feld nahe Null in Ihrem ersten Bild. Wenn jedoch ein starkes externes Magnetfeld angelegt wird, wird die Neigung zum Aufbrechen aufgrund der induzierten Magnetisierung weiter verstärkt.
@NoahWitherspoon - Abschließende Beobachtung: Ferrofluide scheinen interessant zu sein, weil sie leicht in der Lage sind, das zu tun, was feste ferromagnetische Materialien im Allgemeinen nicht können: sich neu anordnen, um ihre magnetische Energie zu minimieren. Feste Ferromagnete möchten ihre magnetische Energie minimieren, werden jedoch aufgrund magnetischer Pinning-Stellen in ihnen oft daran gehindert, während Ferrofluide, sofern erlaubt, frei in eine neue Konfiguration fließen können, um ihre magnetische Energie zu minimieren, wie Ihr Experiment dramatisch veranschaulicht hat.

Das Aussehen der großen Tröpfchen/Kleckse wird dadurch verursacht, dass die Flüssigkeit die Glasoberflächen wahrscheinlich nicht sehr gut "benetzt". In diesem Fall wirken die Flüssigkeitskleckse unter dem Einfluss ihrer Oberflächenspannung, die dazu neigt, sie in runde Formen zu ziehen und, wenn die Gelegenheit dazu gegeben wird, zu größeren kreisförmigen Klecksen zu verschmelzen.

Darüber hinaus sehen einige dieser Kleckse wie kleine Kreise aus und andere ähneln der zerquetschten Bauchspeicheldrüse eines Dschungelmakis, weil je enger Sie die Glasscheiben zusammendrücken, desto mehr erhalten Sie das Aussehen der zerquetschten Bauchspeicheldrüse und desto weiter auseinander die Glasscheiben sind, desto mehr bekommt man die kreisförmigen Kleckse.

Da es sich um ein Ferrofluid handelt, wird diese Flüssigkeit sehr stark von Ihrem externen Magneten beaufschlagt, und obwohl sie in einem Raum eingeschlossen ist, in dem Oberflächenspannungseffekte dominieren, versucht die Flüssigkeit sehr stark, die Richtungen der vom Magneten erzeugten Feldlinien zu verfolgen. Was Sie bekommen, ist ein Tauziehen zwischen den magnetischen und den Oberflächenspannungskräften, was nach viel Spaß aussieht, wenn Sie damit herumspielen!

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