close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ферромагнитная жидкость

код для вставкиСкачать
Управление образования
Балашовского Муниципального района
Районный конкурс физического творчества
"Моя физика"
Удивительная жидкость - что это? Номинация:
Физика на грани фантастики
Возрастная группа:
10-11 класс
Автор работы:
Вареникова Анастасия Александровна
МОУ СОШ № 6
имени Крылова И. В.
10 класс
Руководитель: Картушин Александр Сергеевич
г. Балашов 2013 год
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ЧТО ТАКОЕ ФЕРРОМАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ?
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
СТРОЕНИЕ
ПРИМЕНЕНИЕ
КАК ПРИГОТОВИТЬ ФЕРРОМАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ? ОПЫТЫ С ФЕРРОМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Цель: Изучить ферромагнитную жидкость и ее свойства.
Основополагающий вопрос:
Что такое ферромагнитная жидкость?
Проблемный вопрос:
Можно ли приготовить ферромагнитную жидкость в домашних условиях?
Гипотеза:
Металлические свойства ФМЖ открывают широкие возможности её применения в различных отраслях Учебные вопросы:
* Когда впервые в России появилась первая ферромагнитная жидкость?
* Где используется ферромагнитная жидкость?
* Какие опыты можно проделать с ферромагнитной жидкостью? Введение.
Повышенный интерес исcледователей к нанообъектам вызван обнаружением у них необычных физических и химических свойств, что связано с проявлением так называемых"квантовых размерных эффектов". Эти эффекты вызваны тем, что с уменьшением размера и переходом от макроскопического тела к масштабам нескольких сот или нескольких тысяч атомов, плотность состояний в валентной зоне и в зоне проводимости резко изменяется, что отражается на свойствах обусловленных поведением электронов, в первую очередь магнитных и электрических. Имевшаяся в макромасштабе "непрерывная" плотность состояний заменяется на дискретные уровни, с расстояниями между ними, зависимыми от размеров частиц. В таких масштабах материал перестает демонстрировать физические свойства присущие макросостоянию вещества или проявляет их в измененном виде. Благодаря такому размерно-зависимому поведению физических свойств и нетипичности этих свойств по сравнению со свойствами атомов с одной стороны, и макроскопических тел с другой, наночастицы выделяют в отдельную, промежуточную область, и нередко называют "искусственными атомами"
Ферромагни́тная жи́дкость (ФМЖ, магни́тная жи́дкость, феррофлюид) (от латинского ferrum - железо) - жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.
История открытия ФМЖ
Магнитные жидкости были почти одновременно синтезированы в США и России в середине 60-х годов двадцатого века.
Первые магнитные жидкости были получены американцем Соломоном Стивеном Пайпеллом, в результате механического измельчения частиц магнетита в шаровых мельницах. Он запатентовал своё изобретение в 1963-м и в 1965 году2. Измельчение проводили в присутствии поверхностно-активного вещества в течение 1000 часов. Магнетитовая пудра смешивалась с жидкой основой (керосином) и ПАВ(олеиновой кислотой), содержание которого составляло 10 - 20 % объёма основы. Разовая загрузка магнетита в жидкую фазу не превышала 0,2 кг/л. Такое соотношение между магнетитом и поверхностно-активным веществом создавало благоприятные условия для получения мономолекулярного защитного слоя на каждой частице, средний размер которой в конечном продукте составлял около 10 нм. Р. Кайзер усовершенствовал описанный процесс и получил магнитные жидкости на воде, органических основах (в том числе ароматических углеводородах) и эфирах.
В СССР родоначальником магнитожидкостных технологий был Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году по инициативе профессора Орлова и под его руководством в Ивановском энергетическом институте начались работы по созданию магнитных жидкостей и герметизирующих устройств на их основе. В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран мира.
Строение
Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого 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. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.
Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и в конце концов частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости.
Термин "магнитореологическая жидкость" относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Разница между ферромагнитной жидкостью и магнитореологической жидкостью в размере частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1-3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.
Применение
Электронные устройства Ферромагнитные жидкости испольуются 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 испольуются во многих динамиках для высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг голосовой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой. Машиностроение Ферромагнитная жидкость способна снижать трение. Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового, она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением. Ferrari использует ферромагнитные жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, котролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой. Оборонная промышленность Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающую краску на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, она 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. Аналитические приборы Ферромагнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером. Медицина В медицине биологически совместимые ферромагнитные жидкости могут быть использованы для диагностики рака. Также ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей. Предполагается, что феромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль. Теплопередача Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью 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. Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг голосовой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри - Вейса, становясь, менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом с голосовой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру. Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии. [3] Генераторы 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. [4] Текущие применения:
* Термозащита; * оптическая защита (видимый свет и УФ-излучение);
* чернила для принтеров; * абразивные суспензии из частиц с покрытием;
* носители для записи информации.
Перспективана 3-5 лет:
* Направленный перенос лекарственных препаратов; * генная терапия;
* многофункциональные нанопокрытия; * нанокомпозиционные материалы для автомобильной промышленности; * легкие и противокоррозионные нанокомпозиционные материалы; * нанотехнология для производства пищевых продуктов, косметики и других предметов быта.
Долгосрочная перспектива:
* Применение нанотехнологии в энергетике и топливной промышленности; * нанотехнология средств защиты окружающей среды;
* использование нанотехнологии для изготовления протезов и искусственных органов;
* использование наночастиц в интегральных наноразмерных дачиках; * нанотехнология в космических исследованиях; * синтез наноматериалов в жидких неводных средах;
* мезопористые оксиды следующего поколения;
* использование наночастиц для очистки и обеззараживания.
Как приготовить ферромагнитную жидкость в домашних условиях?
Я думаю, что многие бы хотели изготовить ферромагнитную жидкость в домашних условиях, т.к. она довольно не дешевая. Я предлагаю несколько "рецептов для приготовления" ферромагнитной жидкости. Рецепт №1
1. Ферромагнитную жидкость можно изготовить своими руками в домашних условиях. Для этого возьмите масло (подойдет моторное, подсолнечное и прочие), а также тонер для лазерного принтера (субстанция в виде порошка). Теперь смешайте оба ингредиента до консистенции сметаны.
2. Для того чтобы эффект был максимальным, погрейте получившуюся смесь на водяной бане в течение приблизительно получаса, не забывайте при этом ее помешивать.
3. Сильным намагничиванием обладает далеко не каждый тонер, а только двухкомпонентный - содержащий в составе девелопер. Значит нужно выбирать наиболее качественный.
Рецепт №2
Растворить в 500 мл дистиллированной воды (при слабом подогреве и несильном помешивании) 24 грамма трехвалентной соли железа (хлорного или сернокислого) и 12граммов двухвалентной соли железа (хлористого или сернокислого). Полученный раствор отфильтровать на воронке в другую колбу, через фильтрованную бумагу для отделения механических примесей. В первую колбу, предварительно промыв ее водой залить 100 - 150 мл аммиачной воды.
Осторожно, тонкой струей влить из второй колбы отфильтрованный раствор в первую, содержащую аммиачную воду и интенсивно взболтать ее. Коричневато - оранжевый раствор, мгновенно превратится в суспензию черного цвета. После долить дистиллированной воды и поставить колбу с образовавшейся смесью на постоянный магнит на пол часа. После того как образованные частицы магнетита под действием сильного магнитного поля выпадут на дно колбы, осторожно слить около двух третьей раствора, удерживая осадок магнитом и снова залить в колбу дистиллированную воду. Раствор взболтать и опять поставить на магнит. Операцию повторять до тех пока, pH раствора не достигнет 7,5 - 8,5 ( зеленая окраска индикаторной бумаги при смачивании ее промывным раствором). После того как последний промывной раствор на две трети слить, загущенную суспензию отфильтровать, через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок черного цвета смешать с 7,5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты. Смесь поместить в фарфоровый стаканчик и подогреть до 80°С на электрической плитке, хорошо перемешивая, в течении часа. Полученную "патоку" черного цвета охладить до комнатной температуры, долить 50 -60 мл дистиллированной воды и тщательно размешать получившуюся коллоидную систему. Разведенную "патоку" подвергнуть центрифугированию при 4000 об/мин в течении одного часа или еще раз поставить на кольцевой магнит. Перелить полученную магнитную жидкость в химический стакан и поднести с наружи магнит. Жидкость должна потянуться за ним. Если магнит убрать, на стекле должен остаться след от жидкости. Он должен иметь коричневато - оранжевую окраску и не содержать посторонних частиц.
Опыты с магнитной жидкостью
1. Взаимодействие магнитной жидкости с магнитным полем
Магнитная жидкость взаимодействует с магнитным полем следующим образом: если поднести магнит сбоку, то жидкость полезет на стенку и может подняться за магнитом как угодно высоко. Меняя направление движения магнитной жидкости, можно создать рисунок на стенке сосуда. Движение магнитной жидкости в магнитном поле можно наблюдать и на предметном стекле. Магнитная жидкость, налитая в чашку Петри, заметно вспучивалась при поднесении магнита, но не покрывалась шипами. Знаменитые опыты "с ежом", описанные в частности в книге "Нанохимия и нано-технологии", авторы - В.В. Еремин, А.А. Дроздов (М.: Дрофа, 2009, с. 43), нам удалось воспроизвести только с готовой магнитной жидкостью МФ-01(производитель - ООО "НПО "Сантон"). Для этого налили магнитную жидкость тонким слоем в чашку Петри и поднесли к ней один магнит, затем несколько магнитов. Жидкость меняет свою форму, покрываясь "шипами", напоминающими колючки ежа.
2.Эффект Тиндаля
Добавили в дистиллированную воду немного магнитной жидкости и тщательно перемешали раствор. Пропустили через стакан с дистиллированной водой и через стакан с полученным раствором луч света от лазерной указки. Лазерный луч проходит через воду, не оставляя следа, а в растворе магнитной жидкости оставляет светящуюся дорожку.Основа появления конуса Тиндаля - рассеяние света коллоидными частицами, в данном случае частицами магнетита. Если размер частицы меньше длины полуволны падающего света, то наблюдается дифракционное рассеяние света. Свет огибает частицы и рассеивается в виде волн, расходящихся во все стороны. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10-9 - 10-7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.
3. Изготовление "магнитной" бумаги
Взяли кусочки фильтровальной бумаги, пропитали их магнитной жидкостью и высушили. Наночастицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей слабые магнитные свойства - бумага непосредственно притягивается к магниту.
Нам удалось с помощью магнита вытащить из стакана через стекло фигурку, изготовленную из "магнитной" бумаги.
4. Исследование поведения магнитной жидкости в этаноле
В этиловый спирт добавили небольшое количество полученной нами магнитной
жидкости. Тщательно перемешали. Наблюдали за скоростью оседания частиц магнетита. Частицы магнетита осели за 2-3 минуты вне магнитного поля.
Интересно ведет себя магнетит, осевший в этаноле - он компактно в виде сгустка перемещается вслед за магнитом, не оставляя следа на стенке пробирки. Оставленный в таком положении, он сохраняет его в течение длительного времени вне магнитного поля.
5. Опыты по удалению с поверхности воды загрязнений из машинного масла
В воду налили немного машинного масла, затем добавили небольшое количество магнитной жидкости. После тщательного перемешивания дали смеси отстояться. Магнитная жидкость растворилась в машинном масле. Под действием магнитного поля пленка из машинного масла с растворенной в нем магнитной жидкостью начинает стягиваться к магниту. Поверхность воды постепенно очищается.
6. Сравнение смазочных свойств машинного масла и смеси машинного масла с магнитной жидкостью
Поместили в чашки Петри машинное масло и смесь машинного масла с магнитной жидкостью. Поместили в каждую чашку постоянный магнит.
Наклоняя чашки, перемещали магниты и наблюдали за скоростью их перемещения. В чашке с магнитной жидкостью магнит перемещался несколько легче и быстрее, чем в чашке с машинным маслом.
Вывод:
Магнитная жидкость (ферромагни́тная жи́дкость, феррофлюид) представляет собой устойчивую коллоидную систему, состоящую из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. По свойства ферромагнитная жидкость напоминает "жидкий металл" - реагирует на магнитное поле и находит широкое применение во многих отраслях. Список литературы:
1. Брук Э. Т., Фертман В. Е. "Ёж" в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. Минск, Вышейшая школа, 1983.
2. Штанский Д. В., Левашов Е. А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки: проблемы и решения. Изв. ВУЗов. Цветная металлургия № 3, 52 (2001).
3. Де Грот С., и Мазур П. Неравновесная термодинамика.-М.: Мир,1964.-456с.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.-М.: Наука.-1982.-623 с.
5. http://teslacoil.ru/himiya/ferroflyuid/
6. http://khd2.narod.ru/technol/magliq.htm.
7. http://nanoarea.ru/index.php/dispersia-pokritia/140-obzor-primenenii
8. http://dic.academic.ru
9. http://magneticliquid.narod.ru/applications/011.htm
10. http://khd2.narod.ru/technol/magliq.htm
11. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ferrofluid_Magnet_under_glass_edit.jpg?uselang=ru
1
Автор
kadrfox
Документ
Категория
Образовательные
Просмотров
3 726
Размер файла
793 Кб
Теги
Моя физика, жидкость, ферромагнитная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа