Феррожидкость — что это и как сделать ферромагнитную жидкость самому. Старт в науке Что такое феррожидкость

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………....3

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ (ФМЖ).

1.1.Сущность и содержание понятия «ферромагнитная жидкость»……………………………………………………………..4

1.2.Использование ПАВов для создания ферромагнитной жидкости………………………………………..…………………….6

ГЛАВА 2. Структурная организация магнитных жидкостей и обусловленные ею электро- и магнитооптические эффекты.

2.1.Виды структурных образований в магнитных жидкостях………………………………………………………… ….8

2.2 .Магнитная жидкость с микрокапельной структурой……..9

2.3. Квазитвердые структурные образования в магнитных жидкостях………………………………………………………….....11

2.4.Структурная самоорганизация магнитных жидкостей в электрическом поле…………………………………………………12

ГЛАВА 3.Применение ферромагнитной жидкости (ФМЖ).

3.1.Сферы применения ферромагнитных жидкостей………….18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………...21

ВВЕДЕНИЕ

С интенсивным развитием науки в последние десятилетия и стремительно ворвавшимся в научную лексику термином «нано», магнетизм наноразмерных объектов оказался едва ли не самой «горячей» наряду с фуллеренами и углеродными нанотрубками темой не только в научных журналах, но и на слуху едва ли ни у каждого человека.

Магнитные наноматериалы, к которым относятся магнитные нанопорошки, молекулярные магниты, магнитные жидкости, 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.

Целью курсовой работы является изучить свойства ферромагнитных жидкостей, путем решения следующих задач:

1. Анализ литературы по данной теме.

2.Изучить понятие ФМЖ.

3.Рассмотреть структурную организацию магнитных жидкостей и обусловленных ею электро- и магнитооптические эффекты.

4.Рассмотреть области применения ферромагнитных жидкостей.

Глава 1. Описание и физические свойства ферромагнитной жидкости.

1.1.Сущность и содержание понятия «ферромагнитная жидкость».

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 году.

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 и эфирах.

В СССР родоначальником магнитожидкостных технологий был Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году по инициативе профессора Орлова и под его руководством начались работы по созданию магнитных жидкостей и

герметизирующих устройств на их основе.

В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран мира.

Что же такое ферромагнитная жидкость? Дадим определение данному понятию. Ферромагнитная жидкость (от латинского ferrum - железо) - жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

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. Действительно ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно. 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

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый 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.

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.

1.2.Использование ПАВ-ов для создания ферромагнитной жидкости.

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

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» один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, 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.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для ее магнитных свойств. Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая ее вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов, позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.

ГЛАВА 2. Структурная организация магнитных жидкостей и обусловленные ею электрооптические и магнитооптические эффекты.

2.1.Виды структурных образований в магнитных жидкостях.

Наличие вокруг дисперсных частиц защитных оболочек, препятствующих необратимой коагуляции не исключает возможности объединения частиц в агрегаты, когда расстояние между ними соответствует второму минимуму энергии взаимодействия при сохранении барьера отталкивания, а также в случае малой глубины первого минимума.

Де Жен и Пинкус рассмотрели коллоид, состоящий из идентичных ферромагнитных частиц, взвешенных в пассивной по отношению к магнитному полю жидкости. Для характеристики дипольного взаимодействия, приводящего к агрегированию, использован параметр, называемый константой спаривания

Теоретические разработки условия появления агрегатов в магнитных коллоидах также проводились в ряде других работ. Развитие экспериментальных работ в области физики магнитных коллоидов привело к появлению представления об агрегировании в ферромагнитных жидкостях как возникновении гетерофазных включений. В возникновение агрегатов, интерпретированное как фазовый переход в магнитных коллоидах, рассмотрено на основе общих представлений гетерогенных систем. Из условия равновесия свободных частиц с агрегатами получен аналог уравнения Клапейрона-Клаузиса – зависимость напряженности магнитного поля, при которой начинается фазовый переход, от температуры при постоянных давлении и концентрации:

где

Термодинамическая модель магнитной жидкости, показывающая, что при определенных значениях концентрации, температуры и напряженности магнитного поля появляется возможность расслоения ферромагнитнфх жидкостей на высококонцентрированные и слабоконцентрированные фазы.

При этом, агрегаты могут быть разделены на два типа микрокапельные, имеющие упругую оболочку, и квазитвердые, иногда хлопьевидные, реже - напоминающие кристаллические образования.

2.2. Магнитная жидкость с микрокапельной структурой

Наиболее распространенными в жидкостях на основе керосина являются микрокапельные агрегаты. Образование микрокапельной структуры является уникальным процессом, характерным только для дисперсных систем с магнитодипольными частицами. Попытка теоретического обоснования физического механизма этого процесса неоднократно предпринималась в ряде работ, среди которых следует отметить работу А.О. Цеберса, где в основу положено явление вытеснительной флокуляции. Вытеснительная флокуляция может иметь место, если дисперсные частицы находятся в растворе достаточно крупных молекул. В этом случае, при сближении дисперсных частиц до расстояний, меньших диаметра растворенных клубков, который играет роль своеобразной мембраны, и осмотическое давление раствора создает силу, приводящую к притяжению частиц. При этом, при наличии магнитных межчастичных взаимодействий значение критической концентрации растворенных клубков, соответствующее началу агрегирования уменьшается. Действительно, возникновение микрокпельных агрегатов наблюдается в магнитных жидкостях при разбавлении их чистым ПАВ-ом или его раствором в дисперсионной среде. Вместе с тем, является установленным фактом и возможность возникновения микрокапельной структуры при разбавлении ферромагнитных жидкостей чистым растворителем. По-видимому, причиной этого являются процессы мицелообразования ПАВ-а в результате добавления керосина в магнитную жидкость. Именно с возникновением микрокапельной структуры при изменении концентрации магнитной жидкости на основе керосина путем ее последовательного разбавления связаны особенности концентрационной зависимости ее магнитной восприимчивости. В этом случае возникновение микрокапель было рассмотрено в рамках фазового перехода, так как налицо возникновение новой, более концентрированной фазы с наличием межфазной поверхности. Следует отметить, что концентрация частиц в микрокаплях может быть значительно выше, чем в омывающей их среде, а магнитная проницаемость микрокапель достигает нескольких десятков единиц.

Для исследования особенностей физических свойств магнитных жидкостей, обусловленных наличием микрокапельных агрегатов, была разработана методика получения в МЖ на основе керосина хорошо развитой микрокапельной структуры. Это достигалось путем смешивания МЖ с минеральным маслом при различном соотношении их объемов. Смесь подогревалась до температуры 315 - 320 К и перемешивалась в течении 15-20 минут с помощью электромеханической мешалки. В результате этого была получена жидкость, содержащая множество мелких (2-7 мкм) капельных агрегатов, имеющих более высокое содержание магнетита, чем омывающая их среда. Такая магнитная жидкость может быть идентифицирована как магнитная эмульсия, уникальность которой состоит в том, что и эмульгированные капли и омывающая их среда одинаковы по природе и отличаются лишь плотностью. С другой стороны, достаточно высокое объемное содержание микрокапельных агрегатов в полученной таким способом среде приводит к особенностям оптических и магнитных свойств, обусловленных поведением микрокапель в магнитных и электрических полях. Подобные эффекты в той или иной мере могут наблюдаться и в магнитных жидкостях, в которых возможно самопроизвольное возникновение микрокапель под воздействием различных факторов.

2.3. Квазитвердые структурные образования в магнитных жидкостях.

1а) до включения поля, 1б) при Н = 40 кА/м, 1в) через 20 минут после выключения поля.

Изменение температуры приводит к изменению формы и конфигурации отдельных агрегатов и структуры в целом. Реакция на внешнее магнитное поле проявляется в виде преимущественной ориентации структурных образований по направлению поля (рис. 16). При этом, изменение направления поля на обратное не приводит к переориентации агрегатов, что указывает на отсутствие у агрегатов собственного магнитного момента, обусловленного упорядочением магнитных моментов дисперсных частиц. Следует отметить, что квазитвердые структурные образования иногда могут реализовываться также и в относительно стабильных жидкостях на основе керосина, однако в этом случае, они могут иметь принципиально иной характер, чем образования в МЖ повышенной вязкости.

2.4. Структурная самоорганизация магнитных жидкостей в электрическом поле.

В магнитной жидкости с микрокапельной структурой в электрическое поле помимо сил поляризационного происхождения существенную роль играют кулоновские силы, обусловленные накоплением заряда на межфазных границах. Вследствие этого, в подобных системах возможно развитие специфических электрогидродинамических неустойчивостей, лимитируемых процессами релаксации заряда, а также формой капель. Электрогидродинамические процессы приводят к изменению структуры магнитной жидкости, что в свою очередь оказывает влияние на магнитные и оптические свойства такой магнитной жидкости. Так, например, благодаря этим процессам в магнитной жидкости наблюдается дифракционное рассеяние света, имеющее ряд особенностей.

Исследование характера электрогидродинамических неустойчивостей и рассеяния света проводилось в тонких слоях (20 -40 мкм) магнитных жидкостей, заключенных между прозрачными стеклами с токопроводящим покрытием. Наблюдение микроструктуры осуществлялось с помощью оптического микроскопа. При исследовании дифракционного светорассеяния применялся гелий-неоновый лазер, луч которого пропускали перпендикулярно плоскости ячейки. Характер рассеяния света наблюдали на экране, а относительную величину интенсивности рассеянного света регистрировали с помощью фотоэлемента и цифрового прибора. Кроме описанной, использовалась также измерительная ячейка, позволяющая создавать электрическое поле, перпендикулярное световому лучу, устройство которой аналогично измерительной ячейке (рис.2).

Рис.2 Схема ячейки для исследования деформации микрокапельных агрегатов в электрическом поле; 1 - предметное стекло, 2 - металлические пластины, 3 - магнитная жидкость с агрегатами, 4 -покровное стекло.

В достаточно слабых переменных электрических полях низкой частоты (30 - 200 Гц) магнитная жидкость с микрокапельной структурой становится анизотропной. Результаты оптических наблюдений, показывают, что в полях достаточно низкой частоты, когда электропроводность капель ниже, чем окружающей их среды капли сплющиваются вдоль направления электрического поля. В результате возникновения анизотропии структуры в магнитной жидкости наблюдается анизотропное светорассеяние. Наблюдающееся при отсутствии поля светлое пятно ("гало") трансформируется в широкую размытую полосу, направленную параллельно малым осям сплющенных капель. На рис. 3 показана зависимость относительной величины интенсивности наблюдаемой светлой полосы от напряженности электрического поля.

Рисунок 3. Зависимость относительной величины анизотропного светорассеяния от напряженности переменного электрического напряжения при частоте 50Гц (10 - начальный фон).

Из приведенного графика видно, что первоначально, при повышении электрического поля происходит увеличение интенсивности анизотропного рассеяния света, что соответствует увеличению деформации капельных агрегатов. Однако, начиная с некоторого, критического значения напряженности, в системе развиваются электрогидродинамические течения, достаточные для разрушения капельных агрегатов и созданной слабыми полями анизотропии структуры. В этом случае наблюдается уменьшение относительной величины анизотропного светорассеяния. Таким образом, при возникновении электрогидродинамической неустойчивости происходит уменьшение структурной, а следовательно и магнитной анизотропии магнитных жидкостей с микрокапельной структурой. Возникновение неустойчивости, связано с процессами релаксации заряда в слабо проводящей несущей среде. При анализе подобных явлений было показано, что в достаточно слабых полях, когда характерное время поворота частицы в вязкой среде велико по сравнению с временем релаксации заряда, ее положение в электрическом поле устойчиво. В противном случае свободные заряды, определяющие ориентацию частиц с наименьшим коэффициентом деполяризации вдоль поля, не успевают перераспределиться по ее поверхности, и развивается неустойчивость. При этом неустойчивость имеет колебательный характер и наступает при

где k0 и k∞ - статическая и высокочастотная поляризуемость (индексы и ║ и

Согласно проведенных расчетов, соотношение (4) в случае непроводящих сферических частиц, взвешенных в среде с вязкостью η=0,1 Па с и характерным временем релаксации заряда τ = 10 с, что соответствует удельному сопротивлению около 0,1 Ом м, для напряженности поля дает величину 400 кв./м В полях такого же порядка наблюдается развитие электрогидродинамической неустойчивости. Изучение характера неустойчивости осуществлялось с помощью наблюдений в микроскоп, которые выявили на поверхности слоя жидкости подвижную сотовую структуру, характерную для неустойчивости Бенарда.

Повышение частоты электрического поля, направленного перпендикулярно плоскости тонкого слоя магнитной жидкости с микрокапельной структурой, приводит сначала к прекращению вихревых течений при f=3 кГц и появлению структурной сетки ветвистого, затем лабиринтного типа. При достаточно высокой частоте (f> 10 кГц) такая структура распадается на отдельные цилиндрические агрегаты, оси которых перпендикулярны плоскостям электродов. Интерес представляют наблюдения трансформации структуры при последующем понижении частоты. В этом случае из цилиндрических образований вновь развивается лабиринтная структура, распадающаяся при продолжении снижения частоты на множество более тонких, на фоне которых образуются крупные гантелеподобные агрегаты. При достижении частоты электрического поля 3 кГц происходит быстрый, взрывоподобный распад агрегатов, после чего во всем объеме слоя магнитной жидкости развивается вихревая электрогидродинамическая неустойчивость. Описанные структурные изменения проиллюстрированы на рис. 4.

Рисунок 4. Динамика структурных превращений в магнитной жидкости с микрокапельной структурой в электрическом поле; 4а) f=20 кГц, 4б) f=10 кГц, 4в)f=9 кГц, 4г) f=6 кГц, 4д) f=l кГц.

Характер структурных превращений при изменении частоты электрического поля подтверждает их связь с процессами релаксации заряда, ориентации и формы микрокапель. При достаточно большой частоте форма капель определяется только поляризационными эффектами вследствие отсутствия движения свободных зарядов, и в этом случае в тонких слоях магнитной жидкости развивается гексагональная структура, теоретическая интерпретация образования которой может быть построена по аналогии с интерпретацией образования подобной структуры в постоянном магнитном поле. Структурные превращения в тонких слоях подобных магнитных жидкостей в электрическом поле определяют характер наблюдающегося при этом дифракционного светорассеяния. Изучение этого явления проведено с помощью установки, схема которой приведена на рис.2, при этом использовалась ячейка, представляющая собой два плоских стекла с токопроводящим покрытием

ГЛАВА 3.Применение ферромагнитной жидкости (ФМЖ).

3.1.Сферы применения ферромагнитных жидкостей.

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. Согласно утверждениям инженеров Ferrotec Corporation, жидкие уплотнители на вращающихся осях в норме выдерживают давление в от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм (примерно от 20680 до 27580 Па), но такие уплотнители не очень годятся для узлов с поступательным движением (например, поршней), так как жидкость механически вытягивается из зазора.

Ферромагнитная жидкость также используются 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.

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 магнитореологические жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой.

Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающую краску на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, она помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.

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.

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.

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 ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль

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.

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.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблемы получения магнитных жидкостей и применения их в различных областях современной науки и техники, биологии и медицины являются, безусловно, актуальными. Спрос научно-технических работников к магнитным жидкостям постоянно растёт, ими активно интересуются физики и механики, но, к большому сожалению, эти тенденции имеют место, в основном, за рубежом. Между тем проблемы получения и испытания этих систем на предмет агрегативной и седиментационной устойчивости в различных условиях с заданными техническим параметрами, являются очень насущными. До сих пор не выстроена общая теория поведения магнитных коллоидных систем на границе раздела «поверхность частицы – дисперсионная среда» и «поверхность частицы – посторонняя поверхность» (явления коагуляции и дезагрегации, смачивания и адсорбции) в различных условиях, ввиду того, что в отечественной литературе практически отсутствуют экспериментальные данные по поверхностным явлениям в этих дисперсных системах. Применение магнитных жидкостей целевого назначения в промышленности и медико-биологических исследованиях предусматривает изучение особенностей их взаимодействия как с поверхностью исполнительных механизмов технических устройств, так и с поверхностью клеток и тканей живых организмов. Исследование процессов коагуляции частиц ферромагнитных жидкостей в различных условиях могло бы помочь при создании устойчивых магнитных коллоидов целевого назначения. Они бы представили большой интерес для специалистов в физике, химии, технике, биологии и медицине.

ЛИТЕРАТУРА

1.Зарипов А.К. Структурная релаксация и вязкоупругие свойства магнитных жидкостей – диссертация.

2.Смерек Ю.Л. Особенности электропроводности магнитной жидкости в магнитном поле.

3. 1.А.с. 966735 СССР Магниточувствителная эмульсия./Чеканов В.В., Драздова В.И.//Открытия. Изобретения. Пром. Образы. Товарные знаки. – 1982.-№38.

4. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: высшая школа, 1984, - 519с.

5.Барьяхтар Ф.Г., Хиженков П.К., Дорман В.Л. Динамика доменной структуры магнитных жидкостей.//Физические свойства магнитных жидкостей. Свердловск, 1983. С.50-57.

6.Беджанян М.А. Эффекты взаимодействия капелл магнитной жидкости с магнитными и электрическими полями: Дис.канд. физ.- мат. наук.- Ставрополь. СГУ.-2002г.

7.Берковский Б.М., Краков М.С., Медведев В.Ф. Магнитные жидкости – новый технологический материал. М.: ИВТАН СССР,1984.-36с.

8. Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. -М.: Химия,1989.-239с.

9.Бибик Е.Е. Приготовление феррожидкости.//Коллоидный журнал.-1973. –т.3 -№6.С.1141-1142.

10.Блум Э.Я., Майоров м.М., Цеберс А.О магнитные жидкости. Рига: Зинатне,1989.-386с.

11.Бондаренко Е.А. Механизмы формирования многослойной структуры магнитной жидкости в приэлектродной области: Дис. Канд. Физ.-мат. наук. Ставрополь. -СГУ. -2001г.

12.Падалка В.В. Ориентационные и кинетические процессы в коллоидных растворах магнитных частиц в электрическом и магнитном полях. Дис. канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 1988.-150с.

Белоногова С.А. (Калининград, МАОУ СОШ № 19)

1. Викторова Л. Как сделать ферромагнитную жидкость дома? // НиЖ. – 2015. – №12. – https://www.hij.ru/read/issues/2015/december/5750/.

2. Сенатская И., Байбуртский Ф. Магнитная жидкость // Наука и жизнь. – https://www.nkj.ru/archive/articles/4971/.

3. Ферромагнитная жидкость. – https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C.

4. Феррожидкость – что это и как сделать ферромагнитную жидкость самому. – http://www.sciencedebate2008.com/ferrofluid/.

Цель: приготовить ферромагнитную жидкость и изучить её свойства.

Задачи :

1. Узнать о ферромагнитной жидкости (вид неньютоновской жидкости).

2. Приготовить ферромагнитную жидкость.

3. Провести эксперименты для изучения её свойств.

4. Узнать её применение.

5. Сделать выводы.

6. Представить результаты.

Гипотеза: в домашних условиях можно приготовить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства.

Область применения результатов: участие в научно-исследовательских конкурсах

Актуальность: Магнетизм - это физическое явление, при котором материалы оказывают притягивающую или отталкивающую силу на другие материалы на расстоянии. Планета Земля имеет два магнитных полюса и собственное магнитное поле. Магниты - важная часть нашей повседневной жизни. Магниты являются существенными компонентами таких устройств, как электрические двигатели, динамики, компьютеры, проигрыватели компакт-дисков, микроволновые печи и, конечно, автомобили. Магниты используются в датчиках, приборах, производственном оборудовании, научных исследованиях. Ферромагнитная жидкость - один из видов неньютоновской жидкости. Это искусственно созданная жидкость. Эта жидкость меняет свойства при определенных условиях которыми может управлять человек.

1. Теоретическая часть

Магнитные жидкости - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами.

В 1963 году сотрудник NASA Стив Папелл изобрел ферромагнитную жидкость. Он решал вполне определенную задачу: как в условиях невесомости заставить жидкость в топливном баке ракеты подходить к отверстию, из которого насос перекачивал топливо в камеру сгорания. Тогда-то Папелл и придумал нетривиальное решение - добавлять в топливо какую-нибудь магнитную субстанцию, чтобы с помощью внешнего магнита управлять перемещением топлива в баке. Так на свет появилась ферромагнитная жидкость.

Минимальный состав ферромагнитой жидкости: ферромагнетик (например, мелкие частицы магнитного металла) и растворитель (например, различные масла). Но такая жидкость будет оседать. Чтобы этого не происходило, необходимо добавить модификатор поверхности (вещество, которое не даёт ферромагнетику слипаться, например лимонная кислота). Ферромагнитные жидкости изучает раздел науки коллоидная химия.

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.

2. Практическая часть

В практической части работы я пробовал сделать ферромагнитную жидкость и посмотреть как она изменяется в присутствии магнита.

2.1. Материалы и инструменты

Тонер-порошок, девелопер, железная стружка, магнитный порошок;

Машинное масло, подсолнечное масло;

Лимонная кислота;

Неодимовые магниты: из обычного жесткого диска для компьютера, из звукового динамика, приобретенный в специализированном магазине неодимовое магнит-кольцо;

Флакон, воронка, разные поверхности, полиэтиленовый пакет, перчатки, палочка;

Блокнот для записей, ручка, фотоаппарат, ноутбук.

2.2. Опыт № 1. Получение ферромагнитной жидкости из тонер-порошка и машинного масла

В глобальной сети Интернет есть множество сайтов, на которых описан способ получения ферромагнитной жидкости из тонер-порошка и машинного масла в пропорции одна третья тонер порошка, остальное машинное масло. Я взял тонер-порошок для лазерных принтеров brother и машинное масло. Смешал в пластиковой бутылке. После смешивания, я поднес магнит и ничего не произошло. Жидкость получилась, но она не обладала магнитными свойствами. Если бы жидкость обладала магнитными свойствами, она бы затвердела и изменила свою форму при движении магнита. Опыт завершился неудачей.

2.3. Опыт № 2. Получение ферромагнитной жидкости из тонер-порошка, девелопера и машинного масла

Из первого опыта я сделал вывод о том, что используемый тонер не является ферромагнетиком. В современных лазерных принтерах для намагничивания краски используется девелопер - специальный магнитный порошок. В получившуюся в первом опыте жидкость я добавил треть объема девелопера. Когда я поднес магнит, жидкость образовала почти незаметный холмик и не затвердела. Получилась жидкость со слабыми ферромагнитными свойствами. Опыт завершился неудачей.

2.4 Опыт № 3. Получение ферромагнитной жидкости из железной стружки и машинного масла

После первых двух неудавшихся опытов, я задумался о силе магнита. С помощью которого проверяю наличие магнитных свойств. Для проверки жидкости я использовал два магнита: магнит от звукового динамика и неодимовый магнит из уже не работающего жесткого диска для компьютера (HDD). Для того чтобы убедится, что ферромагнитная жидкость не получается из-за свойств ферромагнетика в жидкости, а не магнита я добавил в получившийся раствор обычные железные опилки (отходы от работы на слесарном станке). Магнит притянул к стенке все железные элементы жидкости! Магнитные свойства появились, но все то что я смешал уже сложно назвать жидкостью. Опыт снова завершился неудачей.

2.5. Опыт № 4. Получение ферромагнитной жидкости из магнитного порошка и подсолнечного масла

Итак, для получения ферромагнитной жидкости нужен хороший ферромагнетик! В специализированном магазине "Мир магнитов" я приобрел специальный железный магнитный порошок для опытов.

2.6. Опыт № 5. Получение ферромагнитной жидкости из магнитного порошка, лимонной кислоты и подсолнечного масла

Для того чтобы ферромагнитная жидкость не расслаивалась в нее добавляют ПАВ (поверхностно активное вещество). В качестве ПАВ я выбрал лимонную кислоту.

2.7. Опыт № 6. Изучение свойств феррмагнитной жидкости. Магнитоуправляемость

Для изучения свойств полученной жидкости я использовал неодимовый магнит.

2.8. Опыт № 7. Изучение свойств феррмагнитной жидкости. Способность проникать в микрообъемы (закупорка отверстия)

В последнем эксперименте я пытался понять, как можно с помощью внешнего магнита закрывать отверстия от течи. Для этого я сначала налил мою жидкость в пластмассовую колбу с большим отверстием внизу. Потом поднес магнит к стенке рядом с отверстием и поднял колбу. Затвердевшая под действием магнита жидкость препятствовала вытеканию остальной жидкой части. Как только я убрал магнит, все вытекло из колбы.

3. Практическое применение

1. Применение ферромагнитных жидкостей:

2. На основе ферромагнитной жидкости делают радиопоглощающие покрытия на самолеты.

3. Создатели знаменитого Ferrari используют магнитореологическую жидкость в подвеске автомобиля: манипулируя магнитом, водитель может сделать подвеску в любой момент более жесткой или более мягкой.

4. Ферромагнитная жидкость используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим глушителем, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой

5. 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.

6. В качестве рабочего тела в датчиках угла наклона и акселерометрах.

7. В магнитных сепараторах для разделения и сепарации материалов с различной плотностью. 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. Например, для разделения золота и шлиха.

8. Для очистки водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах и катастрофах.

9. 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.

Заключение

В домашних условиях можно приготовить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства.

Успех опытов зависит от силы магнита и качества ферромагнетика. В случае применения тонер-порошка или девелопера для принтера надо быть уверенным, что он содержит магнитный порошок.

С помощью магнита можно увидеть некоторые свойства ферромагнитной жидкости и понять как работают разные механизмы.

Библиографическая ссылка

(ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

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 . Действительно ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно. [ ]

Энциклопедичный YouTube

1 / 4

✪ Ферромагнитная жидкость/Ferrofluid

✪ Как сделать ФЕРРОМАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ ИЗ БЕНГАЛЬСКИХ ОГНЕЙ!Ферромагнитная жидкость!How make ferrofluid

✪ МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ СВОИМИ РУКАМИ MAGNETIC FLUID LIQUID METAL ferrofluid ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙ

✪ Как сделать МАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ

Субтитры

Описание

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 это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый 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.

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.

Нестабильность в нормально направленном поле

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.

Типичные поверхностно-активные вещества для ферромагнитных жидкостей

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

• полиакрилат натрия

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.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для её магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая её вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии (так сказать, её «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов , позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.

Применение

Электронные устройства

Ферромагнитная жидкость используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером , подавляя нежелательный резонанс . Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой 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.

Оборонная промышленность

Авиакосмическая промышленность

Медицина

Ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей .

Теплопередача

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 .

Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг звуковой 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 со звуковой 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.

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 .

Горнорудная промышленность

Ферромагнитная жидкость может быть использована в составе магнитножидкостного сепаратора для очистки от

Ферромагнитные жидкости — представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно высту­пает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипа­нию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

Ферромагнитные жидкости:

Магнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый 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.

Первый способ получения магнитной жидкости:

Изготовить своими руками жидкость, реагирующую на магнитное поле, по силам практически каждому — без каких-либо реактивов и всего за несколько минут. Конечно, качество её существенно хуже, чем у полученной химическим пу­тём. В частности, консистенция продукта получается такой, что его скорее мож­но назвать не «жидкостью», а «жижей». Да и время осаждения магнитных частиц достаточно мало - обычно от нескольких секунд до нескольких минут. Зато ника­кой химии и экзотических технологий, лишь просеивание и смешивание. Для того, чтобы сделать «магнитную жижу», требуется всего лишь на­брать необходимое количество мелких стальных опилок. Чем мельче, тем лучше, поэтому наиболее подходящей является стальная пыль, остающаяся после работы «болгарки» или точила.

Пыль собирается магнитом (не слишком сильным - не столько для предотвращения большого остаточного намагничивания, сколько для того, чтобы железные опилки не так интенсивно стремились к нему и увлекали с собой поменьше немагнитной пыли).

Затем для отсева грязи и крупных фракций собранно её можно просеять через ткань на газете. Чем плотнее ткань, тем мельче будет просеянная пыль, но тем дольше придётся трясти мешо­чек.

Ещё раз подчеркну — стальные частички должны быть как можно мельче. Для по­лучения мелкой стальной пыли следует использовать мелкозернистый (доводочный) точильный круг. В качестве ориентира можно предложить следующее — при рассмотрении невооружённым глазом нельзя определить форму пылинок, на белой бу­маге они выглядят мельчайшими точками. Если форма опилок хорошо различима (при нормальном зрении обычно это соответствует размерам от 0.1-0.3 мм и больше), то такие опилки слишком крупны, они очень быстро осядут и будут практически неподвижными!

Отобранная стальная пыль заливается жидкостью, хорошо смачивающей металл. Это может быть обычная вода - желательно, насыщенная поверхностно-активными веществами, то есть мылом или другим моющим средством (пенообразование здесь вредно, поэтому оно должно быть как можно меньше!).

Но! Во избежание быстрой коррозии железных пылинок, способной просто-напросто «съесть» их за несколько дней, для стали лучше использовать жидкое машинное масло. Вполне подойдёт бы­товое — то, что используется для смазки швейных машинок.

Концентрация стальной пыли в жидкости должна быть, с одной стороны, не слишком высокой, чтобы жидкость не стала чересчур густой и вязкой, а с другой стороны, не слишком низкой, иначе перемещение магнитных частиц не сможет ув­лечь с собой сколько-нибудь заметный объём жидкости. Она подбирается опытным путём с помощью постепенного добавления опилок в жидкость, тщательного пере­мешивания и проверки магнитом. Лучше получить небольшой избыток базовой жид­кости, нежели её недостаток, так как в последнем случае подвижность получен­ной субстанции уменьшается очень заметно.

Конкретная величина кри­тической силы магнитного поля зависит как от магнитных свойств используемого металла, так и от силы смачивания металла базовой жидкостью или ПАВ, а также от температуры жидкости и размеров металлических частиц. При снятии магнитного поля подвижность жид­кости восстановится, если остаточная намагниченность будет не слишком боль­шой.

Второй способ как сделать магнитную жидкость:

Магнитную жидкость можно изготовить еще проще. Существуют диэлектрические магнитные тонеры (ДМ-тонеры) для лазерных принтеров. ДМ-Тонер представляет собой вещество, состоящее из смолы и намагниченной окиси железа. В этом слу­чае без ПАВ можно обойтись.

На 50 мл магнитного тонера нужно взять 2 столовых ложки очень чистого рас­тительного масла.

Тщательно перемешиваем тонер с маслом, вот и всё — магнитная жидкость готова.

P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт

Веклич А.В,
Ерушевич Д.А,
Борисов Р.А,
Рачек В.Б.
Институт инженерной физики и радиоэлектроники СФУ
660074, Красноярск, ул. Киренского 26.
E-mail: [email protected]

В данной статье рассматриваются способ получения ферромагнитной жидкости, спектр ее применения на производстве.

Ключевые слова: Ферромагнитная жидкость, феррофаза.

This article discusses a method for producing a ferromagnetic fluid, the spectrum of its application in the workplace.

Keywords : Ferrofluid, ferrophase.

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 это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый 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.

Для обеспечения устойчивости ФЖ частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил. 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 «супермагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости. Ферриты-химические соединения оксида железа Fe 2 O 3 c оксидами других металлов.

Рассмотрим принцип получения ферромагнитной жидкости.

Выделим основные задачи:

1) получить высокодисперсные частицы феррофазы;

2) стабилизировать их в жидкости-носителе.

Оценки показывают, что для обеспечение устойчивости МЖ, необходимо обеспечить получение частиц ферромагнетика размером 500- 2000 нм. Достичь таких размеров можно или измельчая крупные частицы мaгнетика, или же выращивая их из молекулярных размеров до коллоидных. Второй очень важной технолoгической особенностью получения магнитных жидкостей, высоко дисперсных магнитных материалов является защита коллоидных частиц от окисления и предотвращения агломерации и коагуляции как в процессе получения, так и при переводе частиц в коллоидное состояние в жидкости-носителе. Наиболее успешно эта задача решается путем получения высокодисперсных частиц непосредственно в жидкости-носителе и стабилизации их ПАВ в момент или сразу после их образования. Условием эффективной стабилизации частиц является совместимость феррофазы, стабилизатора и дисперсионной среды, при этом наилучшими стабилизаторами оказываются такие вещества, которые хорошо адсорбируются на поверхности частиц феррофазы, а свободной частью своей молекулы хорошо растворяются в жидкости-носителе. Этим условиям обычно хорошо отвечают вещества с длинной углеводородной цепочкой (C10-C20) содержащие функциональные группы (-OH, -NH 2 , -COOH, SO 3 H и т.д.). Способы получения коллоидных систем МЖ можно разделить на методы диспергирования и методы конденсации.

Для получения МЖ в химической лаборатории использовался метод конденсации высокодисперсного магнетита, в основе которого лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде: FeSO 4 *7H 2 O + 2FeCl 3 *6H 2 O + 8NH 3 *H 2 O → Fe 3 O 4 + 6NH 4 Cl + (NH) 2 SO 4 + 20H 2 O

Реактивы: FeSO 4 *7H 2 O; FeCl 3 *6H 2 O; 25%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода, мыло.

Предложенные для проведения эксперимента массы веществ были уменьшены в четыре раза.

1. В дистиллированной воде растворить FeSO 4 *7H 2 O и FeCl 3 *6H 2 O (при слабом подогреве и несильном помешивании).

2. Полученный раствор отфильтровать в другую колбу для отделения от механических примесей.

3. Залить в чистую колбу 25%-ный раствор аммиака.

4. Тонкой струей влить отфильтрованный раствор в колбу с «аммиачной водой» при интенсивном помешивании. Коричнево-оранжевый раствор мгновенно превращается в суспензию черного цвета.

5. Долить к получившемуся раствору немного воды и поставить колбу с образовавшейся смесью на магнит на 30 мин.

6. После выпадения частиц магнетита на дно колбы (под действием сил магнитного поля), крайне осторожно слить около 2/3 раствора, придерживая осадок магнитом. Снова залить дистиллированную воду в колбу, в таком же количестве, и хорошо перемешивая раствор. Поставить колбу на магнит. Повторять эти действия до тех пор, пока pH сливного раствора не станет нейтрален.

7. Получившуюся суспензию отфильтровать и собрать осадок.

8. Осадок смешать с заранее полученным ПАВ.

9. Нагревать полученную смесь в течение часа (t=80˚C), хорошо перемешивая.

10. Охладить полученную смесь до комнатной температуры. Добавить дистиллированной воды и тщательно размешать.

Разведенную в воде смесь поставить на магнит на несколько часов, после чего ферромагнитная жидкость готова.

Магнитные жидкости (MЖ) - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекyчими магнитoуправляемыми свойствами с широкими перспективам применения в технике, медицине, экологии. MЖ 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 МЖ позволяет удерживать ее в нужном месте устройства под действием магнитного поля. Сейчас 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. Рассмотрено некоторые наиболее интересные и перспективные области применения магнитной жидкости.

Сформируем вывод о проделанной работе.

Магнитные жидкости, обладают, огромным потенциалом и несут в себе, если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений.

Список литературы

1. Арефьев И.М. «Применение магнитных жидкостей. Магнитная смазка». Москва: Наука, 2000г.
2. Берлин М.А., Грабовский Ю.П., Соколенко В.Ф., Пиндюрина Н.Г. Некоторые вопросы технологии получения ферромагнитных жидкостей, Иваново, 1981г.
3. Контарев А.В., Стадник С.В., Лешунков В.А. «Применение магнитных жидкостей. Успехи современной науки», 2006г.
4. Северцев Л.Г. Статья «Магнитные жидкости - яд для рака!» Журнал «Молекулярная медицина» № 3, 2003г.
5. Сенатская И.И., Байбуртский Ф.С. «Жидкость, которая твердеет в магнитном поле» Химия и жизнь, 2002г.