Что такое магнитная жидкость

Что такое магнитная жидкость

Химический способ получения магнитной жидкости и её практическое применение.

Волкова Е.Р. 1
1 МАОУ «Туртасская СОШ»
Замятина Л.В. 1
1 МАОУ «Туртасская СОШ»

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки. В последние годы оно привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении давнего времени, и хорошо известно, какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. Магнитные наноматериалы также обладают огромным потенциалом и несут в себе если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений. В ряду магнитных наноматериалов большое место занимают ферромагнитные жидкости. Магнитная жидкость с точки зрения коллоидной химии представляет собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему лиофобного типа с высокой степенью лиофилизации стабилизизированных частиц магнитного материала в дисперсионной среде. Обладая свойствами жидкого ферромагнетика, она позволяет по-новому решить многие научно-технические и медико-биологические задачи. Магнитные жидкости обладают уникальным сочетанием текучести, и способности ощутимо взаимодействовать с магнитным полем. Все вещества к магнитному полю неравнодушны, то есть либо притягиваются или отталкиваются. Однако большинство из них, как, например, дерево, взаимодействуют с полем столь слабо, что обнаружить это удается только точными приборами. Мне стало интересно, есть ли жидкость, которая будет реагировать на магнит. Я решила начать исследование по данному вопросу.

Цель: Провести эксперимент по получению магнитной жидкости в условиях школьной лаборатории

Задачи:
1. Узнать, что такое магнитная жидкость
2. Рассмотреть ее химический способ получения
3. Изучить применение магнитной жидкости
Предмет исследования: изменения свойств магнетита.
Объект исследования: магнетит.

Гипотеза: Магнитную жидкость можно получить химическим способом в условиях школьной лаборатории

Основные методы исследования – эксперимент, анализ
2.Теоретическая часть

Магнитная жидкость — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Магнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости.

Для получения магнитной жидкости выделяют два основных способа: метод диспергирования и метод конденсации, который включает в себя вакуумную и химическую конденсацию.

В своем эксперименте мы будем использовать метод химической конденсации.

3.Практическая часть
Эксперимент:

Для проведения опыта мы использовали следующее оборудование и химическую посуду: электронные весы, две колбы (с круглым, плоским дном), химический стакан, фильтровальную бумагу и воронку, сильный магнит, водяную баню, фарфоровый стакан ёмкостью 200 мл, термометр с диапазоном измерения температур до 100 градусов по Цельсию, индикаторную бумагу

А также следующие реагенты: соли двух- и трехвалентного железа (хлорные и сернокислые) , нашатырный спирт (аммиачная вода 25%-ой концентрации), моющее средство «Fairy», дистиллированную воду (Приложение №1).

В 500 мл дистиллированной воды растворили 12 г. FeCl3 и 6 г. FeSO4 (при слабом подогреве и несильном помешивании) (Приложение №2). Полученный раствор отфильтровали через фильтровальную бумагу в другую колбу для отделения от механических примесей (Приложение №3).В первую колбу залили 75 мл аммиачной воды. Очень осторожно тонкой струей влили из второй колбы отфильтрованный раствор в первую колбу с аммиачной водой (Приложение №4).Интенсивно взболтали. Коричнево-оранжевый раствор мгновенно превратился в суспензию черного цвета. Долили к получившемуся раствору немного воды и поставили колбу с образовавшейся смесью на магнит на полчаса (Приложение №5). После выпадения частиц магнетита на дно колбы, осторожно слили около двух третей раствора, придержав осадок магнитом. Снова залили воду в таком же количестве, и хорошо взболтали раствор. Опять поставили колбу на магнит. Повторяли операцию, пока pH сливного раствора не стал равный 7,5-8,5 (нежно-зеленая окраска индикаторной бумаги) (Приложение №6). После того как последний промывной раствор на 2/3 слит, загущенную суспензию отфильтровали через бумажный фильтр (Приложение №7). Полученный на воронке осадок смешали с заранее отмеренным количеством «Fairy» (7,5 г.) в фарфоровом стакане. Смесь прогрели до 80 градусов в течение часа, хорошо перемешав (Приложение №8). Охладили полученную смесь до комнатной температуры (Приложение №9). Добавили 50- 60 мл дистиллированной воды и тщательно перемешали. Разведенную в воде смесь поставили ещё раз на магнит на несколько часов, после чего магнитная жидкость готова (Приложения № 9-11).

Применение магнитной жидкости:

1. Космическая промышленность.
NASA проводило эксперименты по использованию ферромагнитной жидкости в замкнутом кольце как основу для системы стабилизации космического корабля в пространстве. Магнитное поле воздействует на ферромагнитную жидкость в кольце, изменяя момент импульса и влияя на вращение корабля. Еще её используют для стабилизации температуры космического корабля.

2.Генерирование ультразвука.
Замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано для генерации ультразвука.

А) Магнитную жидкость можно использовать для смазки и охлаждения инструмента.

Представим себе бетонную стену, в которой нужно просверлить дырку ручной дрелью. Понятно, что о подаче охлаждающей жидкости на сверло не может быть и речи. В результате инструмент нагревается и быстро тупится, доставляя немалую головную боль хозяину стены. Однако если сверло намагнитить, то охлаждающую жидкость, состоящую из смазки и магнитных частичек, на него можно «намазать». Магнитное поле никуда эту жидкость от сверла не отпустит, но равномерно распределит по поверхности контакта. Магнитные жидкости еще и охлаждают инструмент. Более того, как выяснилось, при сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах магнитная жидкость, притягиваясь к намагниченному сверлу, увлекает за счет сил сцепления немагнитную стружку, причем в немалом количестве. Это явление открывает новые возможности для магнитных жидкостей: их можно применять как среду для сбора немагнитных материалов — стружки и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.

Б) Закрепление деталей на рабочем столе станка.

Когда деталь сложной формы нужно закрепить на рабочем столе станка, приходится делать сложные приспособления. Их-то и может заменить ванночка с магнитной жидкостью. Установив в ней деталь в нужном положении, достаточно включить магнитное поле — и, словно мгновенно замёрзнув, жидкость жёстко зафиксирует её. Причём сила такой магнитной хватки, как показывают исследования, может быть не меньше, чем у обычного механического крепления. Надо повернуть деталь — отключите поле, дав жидкости «оттаять». А затем можете снова включить его.

Сбор нефти, разлитой на воде.

Если на поверхности воды разлита нефть, то разбрызгивают магнитную жидкость, которая быстро и поскольку в состав жидкости входит керосин, то она легко растворяется в нефти. В воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться к ним, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.

5.Медицина
Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Магнитная жидкость – идеальная вещь для направленного транспорта лекарств. Наночастицы значительно меньше, чем размер кровеносного сосуда. Поэтому они не закупоривают сосуды. На частицы можно сверху нанести оболочку из нужных лекарственных средств. Поставив магнит сверху, они будут целенаправленно двигаться. Если опухоль внутри организма, то сразу оперировать больного нельзя. Надо понять, увидеть, где опухоль. Клетки опухоли ничем не отличаются от здоровых, и УЗИ нам не поможет их увидеть. Частицы окружают соответствующей оболочкой, которую любят раковые клетки. С помощью магнита загоняют частички в опухоль, и на рентгене это место будет светиться. Этот метод запатентован в Германии и у нас, в России. Как только частицы загнали в опухоль, то можно включить переменное магнитное поле. Температура раковых клеток увеличится. Раковые клетки погибают на 0,5 градуса раньше, чем другие клетки. Поэтому лечить рак легко с помощью нагрева при 41,5 градусов. Греть надо целенаправленно. Как только нагрели до 41,5 градусов, опухоль сразу погибает. Предлагается нагревать до умеренных температур. Организм сам резко начинает включать защитные свойства. Что дальше — пока не известно. Все опыты проводятся пока на мышах. Медики утверждают, что некоторые мыши после этих процедур выжили. На людях такое лечение нагревом еще не проводится. Магнитная жидкость поможет сохранить зрение.Американские исследователи утверждают, что в ближайшем будущем можно будет предотвратить слепоту у людей с поврежденной сетчаткой, используя магнитную жидкость. Сетчатка — это тонкий, светочувствительный слой ткани на задней поверхности глаза. Если она повреждается или отслаивается в результате травмы или болезни, зрение ухудшается и может наступить слепота. Обычно для возвращения поврежденной сетчатки на место используется силиконовая жидкость, но американские исследователи обнаружили, что лучшим образом может решить эту проблему намагниченная жидкость. Действительно, такой метод значительно более точен, поскольку он позволяет жидкости двигаться под действием внешнего магнита и достигать таких участков глаза, которые трудно достижимы другими способами.

6. Термомагнитная конвекция.
Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где не годится обычная конвекция, например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации.

4.Заключение

На основании проведённого эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Узнали, что такое магнитная жидкость

2. Получили магнитную жидкость химическим способом;

3. Познакомились с возможным применением магнитной жидкости.

ППриложение №8 Приложение№9

Приложение №10 Приложение №11

1. Сенатская И.И, Байдуртский Ф.С. Магнитная жидкость. Журнал «Наука и жизнь» №12, 2002г. Крицман В.А., Станцо В.В. Энциклопедический словарь юного химика; М.Педагогика , 1996г.

2. Сенатская И.И, Байдуртский Ф.С. Магнитная жидкость. Журнал «Наука и жизнь» №12, 2002г.

3.Сенатская И.И, Байдуртский Ф.С. Магнитная жидкость. Журнал «Химия и жизнь» №10, 2002г. С.26-29

Что такое магнитная жидкость

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

• Главная
• Список секций
• Физика
• СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ.

СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ.

Мартиров Иван Владимирович 1
Курденко Е.В. 1

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Оглавление

Основная часть 4

Глава I. Магнитная жидкость 4

§ 1. Состав магнитной жидкости 4

§ 2. Свойства магнитной жидкости 4

Глава II. Экспериментальная часть 6

§ 1. Получение магнитной жидкости 6

§ 2. Изучение физических свойств 7

§ 3. Изучение магнитных свойств 10

§ 4. Изучение устойчивости магнитной жидкости 11

Список используемых источников 13

Приложение 1 15

Приложение 2 16

Цель работы: выявить различия в свойствах магнитной жидкости (МЖ) с использованием разных поверхностно-активных веществ.

Гипотеза: если использовать разные виды поверхностно-активных веществ (ПАВ), то свойства магнитной жидкости будут различны.

Проблема: как получить раствор мельчайших частиц магнитного материала, то есть устойчивую и неосаждающуюся с течением времени взвесь твёрдых частиц в жидкости.

Объект исследования: магнитная жидкость.

Предмет исследования: свойства магнитной жидкости.

Задачи:

• изучение теории по данной теме;
• получение магнитной жидкости химическим способом с использованием разных поверхностно-активных веществ: хозяйственного мыла, Fairy, Sorti, растительного масла в качестве ПАВ, лимонной кислоты;
• изучение и сравнение физических свойства полученных магнитных жидкостей с образцом готовой магнитной жидкости (взятой из лаборатории);
• изучение магнитных свойств полученных магнитных жидкостей;
• изучение устойчивости магнитной жидкости с разными ПАВ;

В данной работе не только рассмотрено понятие магнитной жидкости и способ получения, но и проведены исследования ее свойств, выявлены различия в свойствах магнитной жидкости с использованием разных поверхностно-активных веществ. В результате проведенных исследований получена магнитная жидкость с оптимальными магнитными свойствами.

Результаты исследований могут использоваться на уроках физики и химии, факультативных занятиях, для самообразования учащихся.

Основная часть Глава I. Магнитная жидкость § 1. Состав магнитной жидкости

Магнитная жидкость — жидкость, притягиваемая магнитом, то есть реагирующая на магнитное поле.

Магнитная жидкость представляет собой коллоидный раствор мельчайших частиц магнитного материала (обычно магнетита Fe₃O₄ или феррита), то есть устойчивую и неосаждающуюся с течением времени взвесь твёрдых частиц в жидкости. Размеры частиц варьируются в пределах от 5 нм до 10 мкм [8]. Для предотвращения слипания частиц используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ «изолируют» частички магнетита друг от друга, не давая им соединяться в крупные элементы, более подверженные оседанию на дно сосуда [13]. В роли базовой жидкости могут использоваться вода, керосин, технические масла и различные типы органических жидкостей, ее выбор обусловлен желаемым набором физических свойств конечного продукта, таких как: вязкость, плотность, теплопроводность, термостойкость и др.

Находясь в магнитном поле, магнитная жидкость приобретает магнитный момент, сравнимый с моментом твердых ферромагнетиков [1].

§ 2. Свойства магнитной жидкости

Свойства магнитной жидкости определяются совокупностью характеристик, входящих в нее компонентов (твердой фазы, жидкости-носителя и стабилизатора).

Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Каждая магнитная частица в магнитной жидкости покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому, в отличие от обычных суспензий, частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно и могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет [4]. У магнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная структура из складок [12]. Если приложить к магнитной жидкости магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Чем, сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Любопытно также, что магниты в магнитной жидкости не тонут [3].

При приложении к магнитной жидкости магнитного поля у неё изменяется вязкость. Вязкость – это внутреннее трение жидкости, препятствующее соседним слоям двигаться с различной скоростью. В обычном состоянии МЖ растекается по поверхности, (её вязкость в 10 раз больше, чем у молока и в 10 раз меньше, чем у масла), а при приложении магнитного поля вязкость МЖ резко возрастает. Наглядно это демонстрируется тем, что жидкость не растекается вдоль магнита, а образуются «шипы» вдоль линий магнитного поля [13].

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости [14].

Глава II. Экспериментальная часть § 1. Получение магнитной жидкости

Цель: получить магнитную жидкость

Наиболее простой химический метод приготовления магнитной жидкости нами был найден в журнале «Наука и жизнь», по которому и была изготовлена магнитная жидкость [5].

• Изготовление магнитной жидкости химическим методом:

1. Растворялось в 500 мл дистиллированной воды 24 грамма FeCl₃ и 12 граммов FeSO₄. (см. приложение 1, рис. 1, 2).
2. Полученный раствор отфильтровывался на воронке в другую колбу для отделения механических примесей (см. приложение 1, рис. 3).
3. В полученный раствор вливалась аммиачная вода (100 мл.), взбалтывалась. Затем доливалась дистиллированная вода, и колба ставилась с образовавшейся смесью на постоянный магнит на полчаса (см. приложение 1, рис. 4).
4. После того, как образовавшиеся частицы магнетита выпадали на дно колбы, осторожно сливалась около двух третей раствора, и снова заливалась в колбу дистиллированная вода, взбалтывалась, и опять ставилась на магнит. Операция повторялась до тех пор, пока pH раствора не достигал 7.5–8.5
5. После того, как последний промывной раствор на две трети был слит, загущённая суспензия была отфильтрована через бумажный фильтр на воронке и полученная суспензия разделялась на 2 равные части.
6. Далее, согласно рецепту, необходимо было смешать полученный осадок чёрного цвета с 7.5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты, которая играет роль ПАВ. После консультации с учителем химии выяснилось, что такие вещества как мыло, моющие средства, масло, лимонная кислота могут быть использованы в качестве ПАВ. Было принято решение, изготовить 4 вида магнитной жидкости: с добавлением хозяйственного мыла, моющего средства FAIRY (15-25 %), моющего средства SORTI (5-15 %), растительного масла, лимонной кислоты, поэтому пришлось повторять п. 1-5, для получения еще 2-х порций суспензии (см. приложение 1, рис. 5).
7. Полученные смеси поочередно помещались в фарфоровый стаканчик и хорошо перемешиваясь, прогревалась на спиртовые горелки в течение 45 мин (см. приложение 1, рис. 6).
8. Полученная «патока» чёрного цвета охлаждалась до комнатной температуры. Затем доливалась дистиллированная вода (30 мл.) в смеси и размешивалась. Разведённую водой «патоку» поставили еще раз на магнит в прохладное место, на сутки.

Вывод: было изготовлено 4 вида магнитной жидкости: с добавлением хозяйственного мыла, моющего средства FAIRY, моющего средства SORTI, растительного масла, лимонной кислоты.

§ 2. Изучение физических свойств

Цель: изучить и сравнить физические свойства полученных магнитных жидкостей с образцом готовой магнитной жидкости (взятой из лаборатории)

Опыт №1 «Определение плотности магнитной жидкости»

Приборы и материалы: весы с разновесами, шприц, пробирки с МЖ

Для определения плотности получившихся магнитных жидкостей мы измерили массу 1 мл магнитной жидкости на весах и рассчитали плотность по формуле . Измерение повторили для 4 видов МЖ. Результаты представлены в таблице.

• Физические свойства

Внешний вид (цвет, запах, консистенция)

Образец готовой МЖ, взятый из лаборатории

Жидкая, однородная, темно-коричневая жидкость.

Смесь с добавлением хозяйственного мыла

Жидкая, однородная, темно-коричневая жидкость с запахом мыла

Смесь с добавлением Fairy

Жидкая, неоднородная (с отдельными частицами), черная жидкость с приятным ароматическим запахом

Смесь с добавлением Sorti

Жидкая, неоднородная (с отдельными частицами) черная жидкость с приятным ароматическим запахом

Смесь с добавлением растительного масла

Неоднородная (комочками) черная жидкость, без запаха

Смесь с добавлением лимонной кислоты

Жидкая, однородная, оранжево-коричневая жидкость, с запахом лимонной кислоты

Вывод: из всех изготовленных смесей, по своим физическим свойствам наиболее схожи с готовой МЖ смесь, содержащая хозяйственное мыло и смесь, содержащая лимонную кислоту в качестве ПАВ. Смесь с добавлением растительного масла из-за своей неоднородности была снята с дальнейшего изучения.

Опыт №2 «Определение коэффициента поверхностного натяжения»

Цель: измерить коэффициент поверхностного натяжения различных видов МЖ.

Приборы и материалы: весы с разновесом, трубка резервуар, кран воздушный, стакан, пробирки с МЖ

Порядок выполнения работы:

1. С помощью штангенциркуля определяем диаметр наконечника пипетки D = 2 мм = 0,002 м
2. Взвешиваем стакан
3. С помощью пипетки отсчитываем 51-55 капель (n) в стакан (см. приложение 2, рис. 1).
4. Взвешиваем стакан с МЖ. Находим массу МЖ:
5. Определяем массу одной капли:
6. Вычислите поверхностное натяжение: .
7. Измерения повторили для 4 видов МЖ

Результаты представлены в таблице:

Смесь с добавлением хозяйственного мыла

Смесь с добавлением Fairy

Смесь с добавлением Sorti

Смесь с добавлением лимонной кислоты

Выводы: полученные экспериментальные данные показали, что коэффициент поверхностного натяжения для МЖ с добавлением хозяйственного мыла, FAIRY, SORTI, лимонной кислоты, различный. Известно, что снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих ее свободную поверхностную энергию (мыло, жирные кислоты). Следовательно, тип и концентрация ПАВ влияют на поверхностное натяжение МЖ.

Опыт №3 «Определение кинематической и динамической вязкости МЖ»

Цель: измерить коэффициент вязкости различных видов МЖ.

Приборы и материалы: капиллярный вискозиметр Освальда, шприц, воронка секундомер.

Порядок выполнения работы:

Наливаем в вискозиметр определенный объем МЖ, 3 раза измеряем время протекания через капилляр вискозиметра (см. приложение 2, рис. 2). Находим среднее значение времени протекания.

По формуле ν = С · t_ср определяем значение кинематической вязкости МЖ, где С=0,3246·10 -6 м 2 /с 2 –постоянная вискозиметра

По формуле μ = ν · ρ определяем динамическую вязкость МЖ

Опыт и расчеты повторяем для 4 видов МЖ, содержащих различные ПАВ

Результаты представлены в таблице:

Средне время истечения

Кинематическая вязкость ν (м 2 /с)

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Что такое магнитная жидкость

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного, обычная безделушка. Но на самом деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, предотвратить экологическую катастрофу, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак!

Ферромагнитная жидкость – это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии.

Ферромагнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала – малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.

Для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.

Мне стало интересно узнать, как же все это происходит. И я решил написать исследовательскую работу, а так же провести несколько увлекательных и наглядных опытов посвященных этой очень интересной теме.

Ферромагнитная жидкость (от латинского ferrum – железо) – жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм и меньше) материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле.

Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного, обычная безделушка. Но на самом деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, защитить от радиации, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак! Мне стало интересно узнать, как же все это происходит. И я решила написать исследовательскую работу на эту очень интересную тему.

Ферромагнитные жидкости – это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния – это твёрдый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитная жидкость имеет широкое применение в электронных устройствах, машиностроении, оборонной промышленности, медицине, горнорудной промышленно­сти, аналитических приборах и даже в авиакосмической промышленности.

Самым интересным мне показался тот факт, что в настоящее время ведётся много экспериментов по использованию ферромагнитной жидкости для удаления и диагностики раковых опухолей. Ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро изменяющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль.

Несмотря на широкое применение, мы мало знаем о ферромагнитной жидкости, способах её получения и магнитных свойствах.

Объект исследования:

Ферромагнитная жидкость, изготовленная в домашних условиях.

Предмет исследования:

Поведение металлического порошка в ПАВ.

Актуальность:

В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран. Всё больше и больше магнитная жидкость «втекает» в повседневную жизнь. С невероятной скоростью учёные находят новые отрасли применения данной жидкости, но обычному человеку мало что известно о ней. Поэтому основной мыслью этой работы — является донести до простого человека, что такое ферромагнитная жидкость.

Подумав о предстоящей работе, я смог сформулировать цель работы и задачи, которые мне предстоит выполнить.

Цель работы:

Получить ферромагнитную жидкость и изучить её применение.

Изучить научную литературу по выбранной теме.

Ознакомиться со свойствами ферромагнитной жидкости.

Из подручных материалов изготовить ферромагнитную жидкость.

Провести эксперимент и проанализировать поведение ферромагнитной жидкости.

Если самому изготовить ферромагнитную жидкость, то можно убедиться в её необычных свойствах нано материала.

Методы исследования:

Работа с источниками.

Эксперименты и наблюдения.

Новизна: В данной работе не только рассмотрено понятие магнитной жидкости и способ получения, но и рассмотрены области применения, в которых может использоваться данная жидкость.

Практическая значимость:

Результаты исследований могут использоваться на уроках физики и химии, экологии, факультативных занятиях, для самообразования учащихся.

I В ногу со временем

1.1 Что такое нанотехнологии?

Популярный сегодня термин «нанотехнология» означает совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами от 1 до 100 нанометров. Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.

В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать всё, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами – туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а, значит, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, всё, что угодно: любой предмет, любое вещество.

Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские учёные занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии российское предприятие НТ МДТ имеет уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона.

1.2 Описание ферромагнитной жидкости

Ферромагнитные жидкость (от латинского ferrum — железо) — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм и меньше) материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле.

Ферромагнитные жидкости – это коллоидные растворы – вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния – это твёрдый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах. (Приложение 1)

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости.

Способы получения коллоидных систем магнитных жидкостей можно разделить на методы диспергирования и методы конденсации. Методы диспергирования заключаются в измельчении грубых частиц твердых тел до коллоидных размеров. Конденсационные методы основаны на соединении отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты коллоидных размеров.

Для того чтобы создать устойчивость подобной жидкости, необходимо связать ферромагнитные частицы с ПАВ (поверхностно-активным веществом) — оно создает так называемую защитную оболочку вокруг частиц, что не допускает их слипания, благодаря Ван-дер-Ваальсовым или магнитным силам.

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

1.3 Описание магнитного поля

Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость, и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и магнитными моментами электронов в атомах. Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Для проведения опытов с ферромагнитной жидкостью мне потребуется электромагнит. (Приложение 2)

Ферромагнитная жидкость — это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии. Магнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала — малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.

Для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.

1.4 Области применения ферромагнитной жидкости

Ввиду уникальности свойств магнитные жидкости находят широкое применение в различных областях науки и техники. (Приложение 3)

Электронные устройства:

Ферромагнитные жидкости используются для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках. Вращающаяся ось окружена магнитом, в зазор между магнитом и осью помещено небольшое количество ферромагнитной жидкости, которая удерживается притяжением магнита. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска.

Ферромагнитная жидкость также используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Она удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

Печатающие и чертежные устройства:

Есть печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. В краску вносится немного магнитной жидкости, и такая краска выбрызгивается тонкой струйкой на протягиваемую перед ней бумагу. Если струю ничем не отклонять, то будет начерчена линия. Но на пути струйки поставлены электромагниты, подобно отклоняющим электромагнитам кинескопа телевизора. Роль потока электронов здесь играет тонкая струйка краски с магнитной жидкостью — ее-то и отклоняют электромагниты, и на бумаге остаются буквы, графики, рисунки.

Машиностроение:

Применение магнитной жидкости для уплотнения вращающихся валов позволяют существенно увеличить ресурс механизмов и снизить уровень шума. В некоторых механизмах применение магнитожидкостных уплотнителей не имеют альтернативы, так-как имеют абсолютную герметичность. Утечки через магнитножидкостные уплотнения полностью исключены. Наиболее широко ее применяют для уплотнения и герметизации зазоров между движущимися частями машин.

Одной из областей применения магнитных жидкостей является их использование в качестве магнитных смазок. В чем преимущества магнитных жидкостей по сравнению с традиционными смазками? МЖ на основе масла по сравнению с тем же маслом снижает трение на 20% эффективнее.

Трение минимально, поскольку основой МЖ является масло, а размер содержащихся в ней твердых частиц на несколько порядков меньше шероховатостей идеально отполированных трущихся деталей. Дополнительным преимуществом использования МЖ в качестве смазок заключается в том, что магнитные жидкости, удерживаемые магнитным полем, не будут вытекать из агрегата. Кроме того, магнитные жидкости будут препятствовать попаданию, например, в подшипники посторонних немагнитных частиц, т.к. МЖ под воздействием магнитного поля выталкивают немагнитные материалы.

« Ferrari » использует ферромагнитные жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска мгновенно может стать более твердой или более мягкой.

Оборонная промышленность:

Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.

Авиакосмическая промышленность:

NASA проводило эксперименты по использованию ферромагнитной жидкости в замкнутом кольце как основу для системы стабилизации космического корабля в пространстве. Магнитное поле воздействует на ферромагнитную жидкость в кольце, изменяя момент импульса и влияя на вращение корабля.

Брэндон Джексон (Brandon Jackson), исследователь из Мичиганского технологического университета, создал математическую модель нового типа электрического двигателя для миниатюрных космических аппаратов , рабочим телом которого является ферромагнитная жидкость. Данная технология, согласно расчетам математической модели, может обеспечить тягу, достаточную для движения спутников стандарта CubeSat или спутников меньших размеров. ( Приложение 4)

Современные миниатюрные спутники могут выполнять почти все те же задачи, которые выполняют и большие спутники, размерами с автомобиль или автобус. Однако, такие крошечные космические аппараты нуждаются в эффективном миниатюрном двигателе, который позволит им маневрировать и удерживаться на стабильной орбите . Ионные двигатели, используемые на больших космических аппаратах, имеют очень малую эффективность, когда их размеры сокращаются до уровня использования их на микроспутниках. И технология получения реактивной тяги за счет электрораспыления ферромагнитной жидкости является весьма перспективной с данной точки зрения.

В традиционной технологии электрораспыления используются крошечные полые иголки, с кончиков которых под воздействием приложенного электростатического напряжения распыляется крошечный поток жидкости. Но у этой технологии имеется и обратная сторона медали, иглы являются непрочными, дорогостоящими в производстве, они легко забиваются и разрушаются.

Для решения этой проблемы исследователи создали новый вид двигателя, который под воздействием прикладываемого магнитного поля “сам себя собирает” из своего же топлива, ферромагнитной жидкости. При этом, данный двигатель является буквально неразрушимым, ферромагнитная жидкость моментально восстанавливает свою форму при ее искажении каким-либо внешним воздействием.

“Под воздействием магнитного поля жидкость принимает форму “ежа” с множеством иголок” – рассказывает Брэндон Джексон, – “А когда мы прикладываем к этому сильное электрическое поле, каждая иголка испускает в пространство крошечный поток ионизированной жидкости”. Потеря двигателем жидкости восполняется из резервуара и иголки постоянно восстанавливают свою форму, что позволяет с высокой точностью регулировать развиваемую двигателем тягу.

В настоящее время исследовательская группа уже определила все сложные “взаимоотношения”, связывающие силу магнитного, электрического поля и силы поверхностного натяжения ферромагнитной жидкости. Сейчас Научно-исследовательское управление ВВС США (Air Force Office of Scientific Research, AFOSR) заключило контракт с научной группой, целью которого является продолжение исследований в данном направлении. В рамках этого контракта будут проведены углубленные изучения динамики и процессов, происходящих в одной иголке магнитной жидкости, а после этого группа приступит к созданию прототипа нового двигателя, в котором будет использоваться не менее 100 иголок.

В дополнение к разрабатываемому космическому двигателю данная технология электрораспыления ферромагнитной жидкости может быть использована и во множестве других областей, включая спектрометрию, фармацевтическую промышленность, нанопроизводство и т.п. А Мичиганский технологический университет уже подал патентную заявку на свое изобретение и ожидает ее ближайшего одобрения.

Горнорудная промышленность:

Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды.

Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство, сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму. Также можно перемещать в организме ферменты.

Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Bce процедуры при этом существенно упрощаются. Кроме того, известны предложения о применении МЖ в качестве управляемого рентгеноконтрастного вещества для исследования скорости движения крови.

Магнитные жидкости могут использоваться в хирургии. Если расположить постоянный магнит в том месте, где хирург должен делать разрез, то пробка из магнитной жидкости, введенной шприцем в вену или артерию, будет перекрывать ток крови после разреза.

Магнитоуправляемые частицы магнетита используются для лечения рака. Этот метод лечения (гипертермия) основан на том, что под действием переменного магнитного поля частицы магнетита разогреваются, подавляя рост раковых клеток. (Приложение 5)

Огромный интерес для исследователей представляет возможность очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью магнитных жидкостей. В основе процесса лежит принцип омагничивания нефтепродуктов путем добавления магнитной жидкости в сточные воды и последующего отделения омагниченных нефтепродуктов специальными магнитными системами.

Магнитную жидкость можно применять для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Часто случается так, что человек не в состоянии предотвратить загрязнение нефтепродуктами поверхности воды, например, при аварии танкера с нефтью, когда громадное пятно покрывает многие квадратные километры моря, загрязняя все вокруг. Очистка воды от таких загрязнений – дело очень трудное, долгое и не всегда выполнимое. Но и здесь помогает магнитная жидкость. На разлившееся пятно с вертолета разбрызгивают небольшое количество магнитной жидкости, которая быстро растворяется в нефтяном пятне, затем в воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться в точку, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.

Ферромагнитная жидкость — очень интересный объект для опытов и исследований. Я считаю, что опыты с манипулированием ферромагнитной жидкостью довольно актуальны и интересны, потому что причудливые формы, принимаемые ей, вызывают интерес и любопытство. К тому же эта жидкость может наглядно продемонстрировать нам действие магнитного поля.

Уже сейчас ферромагнитная жидкость активно используется во многих областях науки и техники, области ее применения продолжают, и будут продолжать расширяться.

II Нет лучше знания от опыта

2.1 Подготовка к эксперименту

Подумав над предстоящей работой, я смог разделить практическую часть моего исследования на 5 основных этапов:

Сбор необходимой информации о предстоящем опыте (техника безопасности, инструкции по изготовлению и т.д.)

Приготовление ферромагнитной жидкости.

Описание проведенного опыта (сделать фотографии и т.д.)

2.2 Приготовление ферромагнитной жидкости:

Для того чтобы приготовить ферромагнитную жидкость мне понадобилось:

Нужно помнить, что металлический порошок очень маркий, поэтому обращаться с ним нужно предельно осторожно.

Насыпаем в тару для смешивания порошок.

Наливаем в тару машинное масло.

Ингредиенты нужно смешать до состояния сметаны. Ферромагнитная жидкость готова. (Приложение 6)

2.3 Проведение эксперимента

После завершения всех приготовлений, мы можем приступить к проведению эксперимента.

После того как я убедился в том, что изготовленная ферромагнитная жидкость работает, я могу использовать для своих опытов магнит.

Как только я поднес магнит к ферромагнитной жидкости она тут же начала поляризоваться и принимать различные формы. (Приложение 7)

При помощи магнита, мы наблюдаем удивительные метаморфозы ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля. Мы наблюдаем, как за долю секунды жидкость приобрела состояние твердого вещества, без какого-либо механического воздействия.

Самое интересное, что при отведении магнита от полученного вещества, ферромагнитная жидкость возвращается в прежнее состояние.(Приложение 8)

Повторяя подобный эксперимент можно еще раз убедиться в том, что ферромагнитная жидкость состоит из очень маленьких частиц обладающих магнитными свойствами.

После проведения экспериментов, я не захотела останавливаться на достигнутом, мне захотелось рассмотреть этот процесс еще ближе, в более мелких подробностях. Для этого я использую цифровой микроскоп. Я надеюсь получить кадры многократно увеличенной ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля.

Я рассмотрела под микроскопом ферромагнитную жидкость в «спокойном» состоянии и под воздействием магнита. (Приложение 9)

В результате проведённой мною работы я получил ферромагнитную жидкость и провёл наблюдения за изменениями, которые получает ферромагнитная жидкость под действием магнитного поля. Я узнал, что ферромагнитная жидкость обладает удивительными свойствами и уже сейчас широко применяется в различных областях науки, техники, медицины, и может иметь еще большее применение в будущем.

IV Список литературы

Брук Э.Т., Фертман В.Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. — Минск, Вышейшая школа, 1983.

Авдеев М.В., Аксенов В.Л. Малоугловое рассеяние нейтронов в структурных исследованиях магнитных жидкостей /УФН. – 2010.- Т. 180.- С. 1009-1034.

Материал из Википедии – свободной энциклопедии. Категория: магнетизм. [Электронный ресурс] http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость

В.Е. Фертман. Магнитные жидкости. Справочное пособие. 1988 год. 284 стр.

П риложение 1

Ф отография ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля (крупный план)

Приложение 2

Приложение 3

Области применения ферромагнитной жидкости

Приложение 4

Разработан новый тип электромагнитного двигателя для спутников, использующий ферромагнитную жидкость

Приложение 5

Приложение 6 Проведение эксперимента и получение ферромагнитной жидкости

Приложение 7 Приложение 8