Проєкт "Властивості феромагнітної рідини"

У навчальному дослідницькому проєкті з фізики на тему "Властивості феромагнітної рідини" учнем 10 класу була поставлена і досягнена мета отримати феромагнітну рідину і вивчити її властивості, а також з'ясувати, яким чином і чому вона застосовується у різних областях життєдіяльності людини та промисловості.

Детальніше про роботу:

У процесі виконання дослідницької роботи з фізики про властивості феромагнітної рідини учнем 10 класу було перевіренно декілька рецептів виготовлення феромагнітної рідини та з'ясовнано, який з них найліпший. У ході проведення практичного експерименту було вивчено фізичні властивості магнітної рідини.

Учнівський дослідницький проєкт про властивості феромагнітної рідини містить розгорнуте обґрунтування поняття "феромагнітна рідина", а токож розповідає, як і коли створили феромагнітну рідину, дає її характеристику та вивчає, у яких сферах нашого життя застосовується феромагнітна рідина та чим це пояснюється.

Автор дослідницької роботи встановив, що феромагнітна рідина здатна допомогти розігнатися машині до величезної швидкості, добути золото, захистити від радіації, допомогти розкрутити космічний корабель в космосі і навіть вилікувати рак!

Зміст

Вступ      
1. З історії створення феромагнітної рідини.
2. Опис феромагнітної рідини.
3. Області застосування феромагнітної рідини.
4. Практична частина.

• Рецепт №1.
• Рецепт №2.
• Рецепт №3.
• Рецепт №4.

5. Вивчення фізичних властивостей МР.
Висновок
Список використаних джерел     
Додатки  
Практична частина   

Феромагнітна рідина (від латинського ferrum - залізо) - рідина, сильно поляризується в присутності магнітного поля. Феромагнітні рідини складаються з частинок нанометрових розмірів (звичайний розмір 10 нм і менше) матеріалу, що містить залізо, зважених в несучій рідини. Ферофлюід - вона ж феромагнітна рідина, надзвичайно цікава, незвичайна і корисна річ. Здавалося б, нічого особливого, звичайна дрібничка. Але насправді все не так просто.

Феромагнітна рідина здатна допомогти розігнатися машині до величезної швидкості, добути золото, захистити від радіації, допомогти розкрутити космічний корабель в космосі і навіть вилікувати рак! Мені стало цікаво дізнатися, як же все це відбувається. І я вирішив провести кілька захоплюючих і наочних дослідів присвячених цій дуже цікавій темі.

Мета роботи: Отримати феромагнітну рідина і вивчити її властивості.

Завдання:

1. Вивчити наукову літературу з обраної теми.
2. Ознайомитися з областю застосування феромагнітної рідини.
3. З підручних матеріалів виготовити феромагнітну рідина.
4. Провести експеримент і проаналізувати поведінку феромагнітної рідини.

Гіпотеза:
Якщо самому виготовити феромагнітну рідину, то можна переконатися в її незвичайних властивостях нано матеріалу.

Методи дослідження:

• Робота з джерелами.
• Експерименти і спостереження.
• Аналіз експериментів.

Феромагнітну рідина створив американський вчений Стів Папелл більше 50 років тому. У той час Папелл працював інженером в NASA і брав участь в розробці двигунів для космічних апаратів.

Розробник зіткнувся з проблемою - потрібно створити систему, яка змушувала б паливо з бака переміщатися до отвору, через який насос закачує його в камеру згоряння. Якщо мова йде про рідке паливо, то в умовах невагомості рідина вільно левітує в баці. Для вирішення завдання вчений вирішив застосувати оригінальну ідею - зробити паливо магнітним, змішавши його з яким-небудь масою, яка володіє магнітними властивостями.

Таким чином, із застосуванням зовнішніх магнітів, можна буде легко керувати паливом в баці. Для реалізації такого механізму управління найкраще підходила рідка субстанція. Через кілька тижнів експериментів Папелл подарував світові феромагнітну рідина. Для створення своєї рідини вчений використовував подвійний оксид заліза магнетит (Fe3O4), який він здрібнив, змішуючи олеїнову кислоту і потім додаючи органічні розчинники.

Після завершення техпроцесу виходила колоїдна суспензія, яка містила суспензію частинок магнетиту розміром 0,1 - 0,2 мікрона, в співвідношенні: 5% часток магнетиту, 10% модифікатора, 75% розчинника (наприклад, масло). Молекули олеїнової кислоти використовувалися як модифікатор, який не дозволяв злипатися часткам оксиду.

Винахід інженера було запатентовано в 1965 м році US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles ). Винахід Папелла було із захопленням прийнято його колегами по науковому співтовариству і космічному агентству, дозволило його імені залишитися в історії фізики.

Однак, незважаючи на інтерес, NASA так і не використовувало його ідеї, головним чином тому, що було віддано перевагу твердому ракетному паливу. Подальші експерименти з феромагнітною рідиною в NASA стосувалися для систем стабілізації корабля в просторі.

Створена Папеллом рідина, оцінюється як дуже вагомий внесок - цим винаходом він заклав основу однієї з нових галузей фізичного знання - ферогідродинаміка. Подальші розробки і впровадження феромагнітної рідини в виробничу практику велися під керівництвом колеги Папелла по NASA, Рона Розенцвейга. Роботи проводилися в корпорації AVCO, яка ставила за мету комерційне застосування цього винаходу.

Феромагнітні рідина (від латинського ferrum - залізо) - рідина, яка сильно поляризується в присутності магнітного поля. Феромагнітні рідини складаються з частинок нанометрових розмірів (звичайний розмір 10 нм і менше) матеріалу, що містить залізо, зважених в несучій рідини. Вони досить малі, щоб тепловий рух розподілило їх рівномірно по несучої рідини, щоб вони давали внесок в реакцію рідини в цілому на магнітне поле.   

Феромагнітні рідини - це колоїдні розчини - речовини, які мають властивості більш ніж одного стану матерії. В даному випадку два стани - це твердий метал і рідина, в якій він міститься. Ця здатність змінювати стан під впливом магнітного поля дозволяє використовувати феромагнітні рідини в якості ущільнювачів, мастила, а також може відкрити інші застосування в майбутніх наноелектромеханічних системах.

Незважаючи на назву, феромагнітні рідини не виявляють феромагнітних властивостей, оскільки не зберігають залишкової намагніченості після зникнення зовнішнього магнітного поля. Насправді феромагнітні рідини є парамагнетиками і їх часто називають «суперпарамагнетиками» через високу магнітну сприйнятливість.

Способи отримання колоїдних систем магнітних рідин можна розділити на методи диспергування і методи конденсації. Методи диспергування полягають в подрібненні грубих частинок твердих тіл до колоїдних розмірів. Конденсаційні методи засновані на з'єднанні окремих молекул або іонів розчиненої речовини в агрегати колоїдних розмірів.

Для того, щоб створити стійкість подібної рідини, необхідно пов'язати феромагнітні частинки з ПАР (поверхнево-активною речовиною) - воно створює так звану захисну оболонку навколо частинок, що не допускає їх злипання, завдяки Ван-дер-ваальсово або магнітним силам.

Щоб обволікати частки в феромагнітної рідини використовуються, зокрема, такі ПАР:

• олеїнова кислота;
• гідроксид тетраметиламонію;
• поліакрилова кислота;
• поліакрилат натрію;
• лимонна кислота;
• соєвий лецитин.

ПАР перешкоджають злипанню частинок, заважаючи їм утворити занадто важкі кластери, які не зможуть утримуватися в підвішеному стані за рахунок броунівського руху. В ідеальній феромагнітній рідині магнітні частки не осідають навіть в дуже сильному магнітному або гравітаційному полі. Молекули ПАР мають полярну «головку» і неполярний «хвіст» (або навпаки); один з кінців адсорбується до частинки, а інший прикріплюється до молекул рідини-носія, утворюючи, відповідно, звичайну або зворотний міцелу навколо частинки.

В результаті просторові ефекти перешкоджають злипанню частинок. Поліакрилова, лимонна кислоти і їх солі формують на поверхні частинок подвійний електричний шар в результаті адсорбції полианионів, що призводить до виникнення кулонівських сил відштовхування між частинками, що підвищує стабільність рідини на водній основі.

Під впливом досить сильного вертикально спрямованого магнітного поля поверхню рідини з парамагнітними властивостями мимовільно формує регулярну структуру з складок. Цей ефект відомий як «<нестабільність в нормально направленому полі». Формування складок збільшує вільну енергію поверхні і гравітаційну енергію рідини, але зменшує енергію магнітного поля.

Така конфігурація виникає тільки при перевищенні критичного значення магнітного поля, коли зменшення його енергії перевершує внесок від збільшення вільної енергії поверхні і гравітаційної енергії рідини. У феромагнітних рідин дуже висока магнітна сприйнятливість, і для критичного магнітного поля, щоб виникли складки на поверхні, може бути досить маленького стрижневого магніту.

Феромагнітна рідина - це унікальний технологічний штучно синтезований матеріал, що володіє жидкотекучими і магнітокерованими властивостями з широкими перспективами застосування в техніці, медицині, екології. Магнітна рідина має всі переваги рідкого матеріалу - малим коефіцієнтом тертя в контакті з твердим тілом, можливістю проникати в мікрооб'єми, здатністю змочувати практично будь-які поверхні і ін. В той же час, магнітоуправляемость магнітної рідини дозволяє утримувати її в потрібному місці пристрою під дією магнітного поля.

Для магнітних рідин придумали безліч корисних застосувань: для ущільнення валів і поршнів, для «вічного» мастила, для збору нафти, розлитої на воді, для збагачення корисних копалин, для лікування і діагностики багатьох хвороб і навіть для прямого перетворення теплової енергії в механічну.

Зважаючи на унікальність властивостей магнітні рідини знаходять широке застосування в різних областях науки і техніки.

Електронні пристрої:

Феромагнітні рідини використовуються для створення рідких ущільнювачів пристроїв навколо обертових осей в жорстких дисках. Вісь, що обертається оточена магнітом, в зазор між магнітом і віссю вміщено невелику кількість феромагнітної рідини, яка утримується тяжінням магніту. Рідина утворює бар'єр, що перешкоджає попаданню частинок ззовні всередину жорсткого диска.

Феромагнітна рідина також використовуються в деяких високочастотних динаміках для відводу тепла від звукової котушки. Вона утримується в зазорі навколо звукової котушки сильним магнітним полем, перебуваючи одночасно в контакті з обома магнітними поверхнями і з котушкою.

Друкуючі і креслярські пристрої:

Існують друкарські і креслярські пристрої, що працюють на магнітній рідині. У фарбу вноситься трохи магнітної рідини, і така фарба вприскується тонкою цівкою на розташований перед нею папір. Якщо струмінь нічим не відхиляти, то буде накреслена лінія. Але на шляху цівки поставлені електромагніти, подібно відхилячим електромагнітам кінескопа телевізора. Роль потоку електронів тут грає тонка цівка фарби з магнітною рідиною - її-то і відхиляють електромагніти, і на папері залишаються літери, графіки, малюнки.

Машинобудування:

Застосування магнітної рідини для ущільнення валів дозволяють істотно збільшити ресурс механізмів і знизити рівень шуму. У деяких механізмах застосування магніторідинні ущільнювачів не мають альтернативи, так-як мають абсолютну герметичність. Витікання через магнітнорідкісні ущільнення повністю виключені. Найбільш широко її застосовують для ущільнення і герметизації зазорів між рухомими частинами машин.

Однією з областей застосування магнітних рідин є їх використання в якості магнітних мастил. У чому переваги магнітних рідин в порівнянні з традиційними мастилами? МР на основі масла в порівнянні з тим же маслом знижує тертя на 20% ефективніше.

Тертя мінімальне, оскільки основою МР є масло, а розмір, який міститься в ній твердих частинок на кілька порядків менше шорсткості ідеально відполірованих деталей, що труться. Додатковою перевагою використання МР як мастил полягає в тому, що магнітні рідини, утримувані магнітним полем, що не будуть випливати з агрегату. Крім того, магнітні рідини будуть перешкоджати попаданню, наприклад, в підшипники сторонніх немагнітних частинок, тому що МР під впливом магнітного поля виштовхують немагнітні матеріали.

«Ferrari» використовує феромагнітні рідини в деяких моделях машин для поліпшення можливостей підвіски. Під впливом електромагніту, контрольованого комп'ютером, підвіска миттєво може стати жорсткішою або більш м'якою.

Оборонна промисловість:

Військово-повітряні сили США впровадили радіопоглинаюче покриття на основі феромагнітної рідини. Знижуючи відображення електромагнітних хвиль, воно допомагає зменшити ефективну площу розсіювання літака.

Авіакосмічна промисловість:

NASA проводило експерименти з використання феромагнітної рідини в замкнутому кільці як основу для системи стабілізації космічного корабля в просторі. Магнітне поле впливає на феромагнітну рідина в кільці, змінюючи момент імпульсу і впливаючи на обертання корабля.

Гірничорудна промисловість:

Магнітна рідина володіє ще однією дивною, унікальною властивістю. У ній, як і в будь-якій рідині, плавають тіла менш щільні і тонуть тіла більш щільні, ніж вона сама. Але якщо прикласти до неї магнітне поле, то потонулі тіла починають спливати. Причому чим сильніше поле, тим важчі тіла піднімаються на поверхню.

Прикладаючи різне по напруженості магнітне поле, можна змушувати спливати тіла з якоюсь заданою щільністю. Це властивість магнітної рідини застосовують зараз для збагачення руди. Її топлять в магнітної рідини, а потім наростаючим магнітним полем змушують спливати спочатку порожню породу, а потім вже і важкі шматки руди.

Медицина:

Протипухлинні препарати, наприклад, шкідливі для здорових клітин. Але якщо їх змішати з магнітною рідиною і ввести в кров, а у пухлини розташувати магніт, магнітна рідина, а разом з нею і ліки, зосереджуються у ураженої ділянки, не завдаючи шкоди всьому організму. Також можна переміщати в організмі ферменти.

Магнітні колоїди можна застосовувати в якості контрастного засобу при рентгеноскопії. Зазвичай при рентгеноскопічний діагностиці шлунково-кишкового тракту користуються кашкою на основі сірчанокислого барію. Якщо врахувати, що колоїдні ферритові частинки активно поглинають рентгенівські промені, то можна говорити про використання магнітних рідин в якості рентгеноконтрастних речовин для діагностики порожнистих органів. Bcі процедури при цьому істотно спрощуються. Крім того, відомі пропозиції про застосування МР як керованої рентгеноконтрастної речовини для дослідження швидкості руху крові.

Магнітні рідини можуть використовуватися в хірургії. Якщо розташувати постійний магніт в тому місці, де хірург повинен робити розріз, то пробка з магнітної рідини, введеної шприцом у вену або артерію, буде перекривати потік крові після розрізу.

Магнітокеровані частки магнетиту використовуються для лікування раку. Цей метод лікування (гіпертермія) заснований на тому, що під дією змінного магнітного поля частинки магнетиту розігріваються, пригнічуючи ріст ракових клітин .

Екологія:

Величезний інтерес для дослідників представляє можливість очищення стічних вод від нафтопродуктів за допомогою магнітних рідин. В основі процесу лежить принцип омагнічування нафтопродуктів шляхом додавання магнітної рідини в стічні води і подальшого відділення омагнічених нафтопродуктів спеціальними магнітними системами.

Магнітну рідину можна застосовувати для збору різних нафтопродуктів на поверхні морів, океанів, озер. Часто трапляється так, що людина не в змозі запобігти забрудненню нафтопродуктами поверхні води, наприклад, при аварії танкера з нафтою, коли величезна пляма покриває багато  кілометрів моря, забруднюючи все навколо. Очищення води від таких забруднень - справа дуже важка. Але і тут допомагає магнітна рідина. На пляму з вертольота розбризкують невелику кількість магнітної рідини, яка швидко розчиняється в нафтовій плямі, потім в воду занурюють сильні магніти, і пляма починає стягуватися в точку, після чого її відкачують насоси. Вода знову стає чистою.

Мета: виготовити за різними рецептами магнітні рідини і порівняти їх фізичні властивості.

Рецепт №1.
Виготовлення магнітної рідини хімічним методом з використанням різних ПАР.

Розчиняю в 500 мл дистильованої води 24 грама FeCl 3 і 12 грамів FeSO 4.
Отриманий розчин відфільтровую на лійці в іншу колбу для відділення механічних домішок

В отриманий розчин вливаю аміачну воду (100 мл), збовтую. Потім доливю ще дистильованої води, і колба ставлю  на постійний магніт ( на півгодини). Після того, як утворєні частинки магнетиту випали на дно колби, обережно зливаю близько двох третин розчину, і знову заливаю в колбу дистильовану воду, знову ставлю колбу на магніт.

Як ПАР використовую: господарське мило,миючу рідину FAIRY (15-25%), рослинне масло, лимонну кислоту. Отримані суміші по черзі поміщалися в фарфоровий стаканчик і добре перемішуючись, прогріваються на спиртовій горілці протягом 45 хв.

Отримана «патока» чорного кольору охолоджувалася до кімнатної температури. Потім доливалася дистильована вода (30 мл) в суміші і розмішувалася. Розведену водою «патокуm>» поставили ще раз на магніт в прохолодне місце, на добу.

Висновок: було виготовлено 4 види магнітної рідини: з додаванням господарського мила, миючого розчину FAIRY, рослинного масла, лимонної кислоти.

Рецепт №2.
Для того щоб приготувати феромагнітну рідина мені знадобилося:

Тонер для лазерного принтера або девелопер, (бажано щоб частинки матеріалу з магнітними властивостями в ньому були якомога менше) і машинне масло.
Інгредієнти потрібно змішати до стану сметани.

Рецепт №3.
Подрібнити феритовий фільтр, який я витягнув з кабелю для підключення в мережу старої ігрової приставки, отриману суміш, змішати з машинним або рослинним маслом до консистенції сметани.

Рецепт №4.
Цього рецепта немає в літературі та в Інтернет-джерелах, я випадково помітив, що бенгальські вогні реагують на магніт, тому вирішив спробувати виготовити і досліджувати магнітну суміш з бенгальських вогнів. Для цього: подрібнити бенгальські вогні в порошок і змішати з машинним або рослиним маслом.

Досвід № 1 «Визначення щільності магнітної рідини»

Прилади й матеріали: ваги з важками, шприц, пробірки з МР.
Розрахував щільність суміші, використовуючи формулу p =m/v. Вимірювання повторив для всіх видів МР. Результати представлені в табл. 1.  

Таблиця 1. Фізичні властивості МР

Суміш	Зовнішній виглд (колір,запах, консистенція)	Щільність, г/см3
Феромагнітова суміш, отрмана з фільтра	Рідка, неоднорідна, кашоподібна маса черного кольору.	1,5
Суміш отрмана з бенгальських вогнів	Рідка, неоднорідна (з окремим частинками) темно-сіра рідина	1,42
Суміш отримана з тонера для лазерного принтера	Рідка, однорідна, чорного кольору рідина	1,32
Суміш з додаванням господарського мила	Рідка, однорідна, темно-коричнева рідина з запахом мила	1,1
Суміш з додаванням Fairy	Рідка, неоднорідна (з окремими частинками), чорна рідина з приємним ароматичним запахом	1,085
Суміш з додаванням рослинної олії	Неоднорідна (грудочками) чорна рідина, без запаху	Знято з дослідження
Суміш з додаванням лимонної кислоти	Рідка, однорідна, оранжево-коричнева рідина, з запахом лимонної кислоти	1,05

Висновок: з усіх виготовлених сумішей, за своїми фізичними властивостями найбільш схожі з виробничої МР сумішю, суміш, що містить господарче мило, лимону кислоту в якості ПАР, суміш з тонера і феромагнітного фільтра. Суміш з додаванням рослинної олії через свою неоднорідність була знята з подальшого вивчення.

Досвід № 2 «Визначення коефіцієнта поверхневого натягу»

Мета: виміряти коефіцієнт поверхневого натягу різних видів МР. Прилади й матеріали: ваги з важками, трубка резервуарна, кран повітряний, стакан, пробірки з МР. 

Порядок виконання роботи:

1. За допомогою штангенциркуля визначаю діаметр піпетки D = 2 мм = 0,002 м
2. Зважуєю стакан m з = 2,2 г = 0,0022 кг.
3. За допомогою піпетки додаю 51 -55 крапель (n) в склянку.
4. Зважую стакан з МР. Знаходимо масу МР: mмж = m – mс
5. Визначаємо масу однієї краплі.
6. Обчисліть поверхневий натяг/
7. Вимірювання повторили для всіх видів МР.

Результати представлені в табл. 2.

Таблиця 2

Висновки: отримані експериментальні дані показали, що коефіцієнт поверхневого натягу для МР з додаванням господарчого мила, FAIRY, лимонної кислоти, різний. Відомо, що зниження поверхневого натягу досягається введенням в рідину поверхнево-активних речовин, що зменшують її вільну поверхневу енергію (мило, жирні кислоти). Отже, тип і концентрація ПАР впливають на поверхневий натяг рідини.

Досвід № 3. «Слід магнітної рідини»

Переливаю отримані суміші в різні пробірки, і підношу магніт. При русі магніту, суміші піднімалися слідом за магнітом, залишаючи слід на стінках пробірки.

Результати: суміш з додаванням Fairy, бенгальських вогнів залишали чорний неоднорідний слід (залишалися частки) на склі, а суміші з додаванням мила і лимонної кислоти однорідний, помаранчево-коричневий слід, суміш з додаванням тонера - однорідний слід чорного кольору.

Досвід № 4. «Отримання шипів на поверхні магнітної рідини»

Для отримання відомих «їжаків» переливалася магнітна рідина в чашку Петрі, і підносився магніт.

Результати: суміші помітно спучується, але не вкривається шипами. Знамениті експерименти «з їжаком» не вдалися.

Досвід № 5 . «Намагнічення фільтрованого паперу»

Бралися шматочки фільтрованого паперу, змочену виготовленими сумішами і висушувалася.

Результати: при піднесенні магніту, папір, просочений сумішшю з додаванням Fairy, тонера «підстрибував» і «прилипав» до магніту. Папір, просочений сумішшю з додаванням мила і лимонної кислоти, тільки при безпосередньому контакті притягувався до магніту. Отже, частки магнітної фази, заповнивши пори паперу, надали їй слабкі магнітні властивості.

Досвід № 6 . «Час осідання частинок»

Наливаю суміші в пробірки, і спостерігаю поведінку частинок. Потім фіксую час і рух частинок.

Результати: через деякий час в сумішах, що містять Fairy і беегальскіе вогні, частки осідали, утворюючи осад, над яким перебувала майже прозора рідина. В суміші, що містить лимонну кислоту, осідання частинок відбувалося дуже повільно. У суміші з вмістом мила, тонера осідання не спостерігалося. Результати предсавлений на графіках.

Висновки

1. Експериментальним шляхом було отримано кілька видів магнітної рідини з різними поверхнево-активними речовинами (ПАР).
2. Виявлено зміни магнітних і фізичних властивостей магнітної рідини з різними ПАР, що входять до її складу.
3. Отримані експериментальні дані довели, що тип і концентрація ПАР впливають на щільність, коефіцієнт поверхневого натягу, в'язкість і стійкість МР.
4. З усіх виготовлених сумішей, стійкої і найбільш схожою по свої м фізичним властивостями з виробничої МР виявилася суміш, яка містить господарське мило в якості ПАР і суміш з тонера.

В результаті проведеної мною досідницької роботи в рамках проєкту я отримав ферромагнітну рідину, використав неодімовій магніт для спостереження дії його на магнітну рідину. Я дізнався, що феромагнітна рідина має дивовижні властивості і вже зараз широко застосовується в різних областях науки, техніки, медицини, і може мати ще більше застосування в майбутньому.

1. Брук Е.Т., Фертман В.Є. «Їжак» в склянці. Магнітні матеріали: від твердого тіла до рідини. - Мінськ, Вишейшая школа, 1983.
2. Авдєєв М.В., Аксьонов В.Л. Малокутове розсіяння нейтронів в структурних дослідженнях магнітних рідин / УФН. - 2010.- Т. 180.- С. 1009-1034.
3. Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії. Категорія: магнетизм.