Frank van Hertrooij
Scivolemo 20 Junio 2018
Pliaj artikoloj
Kiam oni pensas pri magneto, oni pensas pri malmola, metala objekto en la formo de bloko, huffero aŭ eble disko. Ĝia formo estas fiksa kaj ne ŝanĝiĝas. Magnetoj fakte perdos sian magnetan kampon, kiam oni tro forte batas ilin, aŭ varmigas ilin. Tio estas pro tio ke ĉiu atomo en la magneto havas propran magnetan kampon. Kiam oni varmigas magneton ĝis post la Curie-temperaturo, la direktoj de tiuj magnetaj kampoj povas hazardiĝi, kio kaŭzas ke ili nuligas unu la alian. Nur se ĉiuj etaj magnetaj kampoj iras en la sama direkto, ili plifortigas unu la alian. Ke magnetoj estas sentemaj al tiaj faktoroj signifas ke oni ne povas fari per ili kion oni volas. Oni ekzemple ne povas akiri magnetan likvaĵon per fandi magneton (tia likvaĵo ĉiukaze estus tro varmega por preskaŭ ĉiuj aplikoj). Se oni rigardas la intereton tamen, oni vidas sennombrajn videojn kun magnetaj likvaĵoj kaj argiloj kaj retpaĝoj kiuj vendas ilin. Por kompreni kiel tiaj materialoj funkcias, tamen, oni devas unue zomi.
La fonto de magnetismo
La speco de magnetismo kie atomaj magnetetoj kunlaboras por krei unu grandan magneton nomiĝas feromagnetismo. Feromagnetismo estas la plej forta speco de magnetismo kaj jam estas konata ekde antikveco. Magnetoj kiuj uzas ĉi tiun specon de magnetismo povas esti kreataj nur el malmultaj metaloj, pro tio ke oni bezonas tre specifan atoman strukturon por krei ilin. Fero estas la plej bona kaj konata feromagnetisma materialo kaj inspiris la terminon mem. Ke atomoj povas esti etaj magnetoj estas la rezulto de kvantumreguloj. Priskribi tiujn ekzakte estas sufiĉe malfacila, sed la koncepto ne estas ekstermonda. La negativaj partikloj ene de atomo, la elektronoj, havas specifan econ kiu nomiĝas ”spino”. Oni ofte komprenas tion kiel rotacion kiu povas iri en du direktoj. Realvive la priskribo estas multe pli nuanca tamen. La spino vekas etan magnetan kampon ĉirkaŭ la elektrono. Ĉiu materialo do enhavas magnetajn kampojn, sed oni ne ĉiam rimarkas ilin. Ĉu la tuta atomo estas magneta, dependas de ĝia strukturo. Ekzistas malsamaj modeloj por priskribi kiel elektronoj estas ordigitaj ene de atomoj. La plej simpla priskribo estas ke elektronoj ĉirkaŭiras la kernon de la atomo. Realvive elektronoj agas ankaŭ kiel ondoj krom kiel partikloj, sed por kompreni la bazon de magnetismo, tiu distingo ne estas tre grava. Kio ja gravas estas ke ne ĉiuj elektronoj moviĝas en la sama regiono ĉirkaŭ la atomo. Ju pli da elektronoj atomoj havas, des pli kompleksa la sistemo iĝas, sed la malsamaj regionoj ĉirkaŭ la kerno ĉiam pleniĝas laŭ la sama maniero. Unu el la reguloj laŭ kiuj atomoj estas ordigitaj estas la ekskluda principo de Pauli. Tiu priskribas ke du elektronoj en la sama regiono devas havi malajn spinojn (ili ne rajtas havi kvar samajn kvantumnumerojn). La magnetaj kampoj de la elektronoj do estas malaj. Por ke ne ĉiuj magnetaj kampoj nuligas unu la alian, la atomo havu neparan kvanton de elektronoj, aŭ se oni havas nur parojn de elektronoj, ili ne rajtas esti en la sama regiono. La lasta estas vera por, ekzemple, oksigeno. Kompreneble atomoj plej ofte troviĝas en molekuloj, do kvankam oksigena atomo havas neparan elektronon, oksigena molekulo (kun du atomoj kiuj kunhavas siajn elektronojn) ne estas magneta. Eĉ kiam materialo povas esti magneta, ĝi plej ofte ne estas. Eble ĝi estas magneta en etaj partoj, kie la atoma magnetkampo iras en la sama direkto, la materialo grandskale povas esti nemagneta. Nur se la atomaj magnetkampoj iras en la sama direkto, ili plifortigas unu la alian kaj kreas magneton. En la naturo tia strukturo estas tre malofta kaj nur unu mineralo foje kreas naturajn magnetojn: magnetito.
Kiel funkcias ferofluaĵo?
Ferofluaĵoj ne estas magnetaj en la senco de klasikaj magnetoj. Same kiel peco da fero, ili nur produktas magnetan kampon kiam ili estas proksimaj al alia magneto. Tiel ili povas esti altirataj. Ĝi do estas altirata de magneto kiel fero, sed ĝi estas likvaĵo. Tio kaŭzas la strangajn efikojn kiujn oni vidas en la filmetoj. Estas strange tamen, ke kiam oni metas magneton sub la bovlon, la fluaĵo ankaŭ fluas supren en la formo de pikiloj, kontraŭ gravito. Por kompreni kio okazas, oni povas mem fari eksperimenton. Kion oni bezonas estas magneto kaj polvo de fero. Kiam oni metas la magneton sub la tablon, aŭ iun platon, kaj oni faligas la feron sur la surfacon, la eroj kolektiĝos laŭ fiksa strukturo. Ili sekvas la direkton de la magneta kampo. Kun sufiĉe multe da fero, la eroj komencas formi bulon de pikiloj. Kvankam la eroj ja estas altirataj de la magneto, ili serĉas la lokon kie ilia energio estas minimuma. Tio estas laŭ la linioj de la magneta kampo. En ĉi tiu eksperimento la partikloj de fero estas solidaj kaj kreas neregulajn kolumnojn, sed imagu ke oni metus la partiklojn en likvaĵo. Tiam la partikloj multe pli facile moviĝas unu preter la alian, kio donas tre regulajn pikilojn.
Por krei ferolikvaĵon oni bezonas tri ingrediencojn: la magnetajn partiklojn, la likvaĵon, kiu entenas ilin kaj surfaktanton. La likvaĵo povas esti akvo aŭ oleo, depende de la ecoj kiujn oni volas havi. La magnetaj partikloj estas plej ofte magnetito. Gravas kiom grandaj la partikloj ekzakte estas, ĉar tio multe influas kiel la fluaĵo agas. Se la partikloj estas tro grandaj, ĉirkaŭ centono de milimetro, ili formos ĉenojn en magneta kampo, kio igas la fluaĵon multe pli viskoza (siropa). Ĝenerale, la partikloj en ferofluaĵo estas ĉirkaŭ dek miliononoj de milimetro. Tiel, la viskozeco ne ŝanĝiĝas en magneta kampo, sed nur dependas de la fluaĵo. Ankaŭ la surfaktanto estas ege grava ingredienco. Ĝi funkcias iomete kiel sapo kaj kreas tavolon ĉirkaŭ la partikloj. Tiel ili ne povas kungluiĝi. Tio estas necesa por certigi ke la fluaĵo restas mikso. Alia problemo kun miksaĵoj estas ke la partikloj povas malrapide droni suben anstataŭ resti egale distribuataj. Feliĉe, la partikloj estas tiom etaj, ke la hazardaj moviĝoj de molekuloj de la fluaĵo sufiĉe puŝas ilin por zorgi ke ili ne dronas.
Kiam oni komparas ferofluaĵon al solidaj partikloj de fero, oni vidas ke la pikiloj produktataj de ferofluaĵoj estas multe pli similaj unu al la alia kaj malakraj. Tiu efiko estas la rezulto de la surfaca tensio de la likvaĵo. La molekuloj en la likvaĵo interagas kaj altiras unu la alian, do la molekuloj volas esti ĉirkaŭataj de kiel eble plej da similaj molekuloj. Neniu volas esti ĉe la rando do. Tio kaŭzas ke la likvaĵo provas preni formon kun kiel eble plej malgrandan surfacon, kompare al ĝia volumeno. Teorie tiu formo estus sfero, sed pro tio ke la gravito kaj la magneta kampo tiras la likvaĵon, ĝi ne estas sufiĉe forta por tio kaj serĉas la plej bonan alternativon. En kutimaj magnetaj kampoj la pikiloj do estas rondigitaj, sed ĉe ege forta magneto, la magneta forto povas venki kontraŭ la surfaca tensio, kio rezultas je eta, akra pikilo sur la pinto de la kutima pikilo. Malgraŭ tio ke la pikiloj aspektas malmolaj, ili ankoraŭ estas likvaj. Je propra risko, oni povas tuŝi ilin kaj senti kiom molaj ferofluaĵoj fakte estas. Oni ankaŭ povas tre simple forpuŝi la pikilojn, simple per blovi kontraŭ ili. Kiam oni ludas kun ferofluaĵoj, oni konsciu tamen, ke ili povas ĝeni la haŭton kaj tute detrui oniajn pulmojn. Ili ankaŭ rampas en la plej etajn fendojn, do ankaŭ sub la ungojn aŭ en vundojn. Oni do zorgu ke oni scias kion oni faras kaj ke oni bone protektas sin.
Aplikoj de ferofluaĵoj
La ĉefa inventinto de ferofluaĵoj estis Steven Papell. NASA donis al li la taskon de elpensi brulaĵon kiu povus esti regata en la kosmo. En la kosmo, neniu forto tiras la brulaĵon el la ujo, kio povas esti granda problemo por la rakedo. Papell elpensis ke magneta brulaĵo povus esti tirata suben de forta magneto, aŭ pumpata per ŝanĝantaj magnetaj kampoj. Li preparis la unuan ferofluaĵon, kiun li bazigis sur keroseno kaj li akiris patenton en 1965. Malgraŭ liaj penoj, magnetaj brulaĵoj neniam iĝis realeco kaj NASA iris de likvaj brulaĵoj al solidaj. Malgraŭ tio, la stranga likvaĵo ja instigis pli da esploroj kaj nur ferolikvaĵoj estas preskaŭ ĉie. Estas reala ŝanco ke eĉ la aparato kiu montras ĉi tiun blogon enhavas etan kvanton. La plej vasta uzu por ferofluaĵoj estas en laŭtparoliloj. Kiam multe da elektro trairas la bobenon, ĝi povas varmiĝi. Oni uzas ferofluaĵojn por malvarmigi la bobenon kaj por igi la sonon pli glata. Ankaŭ en aliaj elektronikaĵoj kun moviĝantaj partoj, ferofluaĵoj estas uzataj por glatigi la movojn kaj por protekti la elektronikaĵojn kontraŭ malpuriĝo.
Ferofluaĵoj ankaŭ povas esti uzataj por kuraci homojn. Foje oni volas ke medikamento iru al tre specifa parto de la korpo, kiel tumoro. Tio povas esti farata per ligi la medikamenton al feromagnetaj partikloj kaj liberigi ilin en la sango de la paciento. Tiel, oni povas gvidi la medikamentojn de ekstere kaj tre efike liveri la medikamenton. Alia metodo de batali kontraŭ tumoroj pere de ferofluaĵoj temas pri varmo. Kiam oni enmetas magnetajn partiklojn en la tumoro, oni povas rapide movi ilin per ŝanĝanta magneta kampo. Tiel la energio de la magneta kampo estas transformata al varmo, kio malfortigas la ĉelojn de la tumoro. Ambaŭ el tiuj metodoj povas iomete damaĝi la korpon, sed ili estas promesaj, pro tio ke ili estas multe malpli damaĝaj ol pli malnovaj, kutimaj metodoj de kuraci.
Ferofluaĵoj estas uzataj medicine kaj teĥnike, sed ili ankaŭ belas. La strangaj ecoj de ferofluaĵoj inspiris sufiĉe da artistoj kaj multaj el ili uzas ĝin en skulpturoj. Tiuj skulpturoj ne nur stimulas onin pro ilia beleco, sed ankaŭ pro tio ke ili igas onin scivolema. Kiam oni vidas kiel la stranga fluaĵo moviĝas, oni tuj volas scii kiel ĝi funkcias. Eble tio estas la plej bona maniero por interesigi homojn pri scienco: per igi ilin scivolemaj kiam ili ne atendas tion.
Jen intervjuo kun artisto kiu uzas ferofluaĵojn en siaj skulpturoj: