Ферромагнитная жидкость, её получение
и перспективы использования
Аннотация
Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного, обычная безделушка. Но на самом деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, предотвратить экологическую катастрофу, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак!
Ферромагнитная жидкость – это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии.
Ферромагнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала – малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др.
В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.
Для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.
Мне стало интересно узнать, как же все это происходит. И я решил написать исследовательскую работу, а так же провести несколько увлекательных и наглядных опытов посвященных этой очень интересной теме.
Введение
Ферромагнитная жидкость (от латинского ferrum – железо) – жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.
Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм и меньше) материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле.
Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного, обычная безделушка. Но на самом деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, защитить от радиации, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак! Мне стало интересно узнать, как же все это происходит. И я решил написать исследовательскую работу на эту очень интересную тему.
Ферромагнитные жидкости – это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния – это твёрдый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.
Ферромагнитная жидкость имеет широкое применение в электронных устройствах, машиностроении, оборонной промышленности, медицине, горнорудной промышленности, аналитических приборах и даже в авиакосмической промышленности.
Самым интересным мне показался тот факт, что в настоящее время ведётся много экспериментов по использованию ферромагнитной жидкости для удаления и диагностики раковых опухолей. Ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро изменяющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль.
Подумав о предстоящей работе, я смог сформулировать цель работы и задачи, которые мне предстоит выполнить.
Цель работы:
Получить ферромагнитную жидкость и изучить её свойства.
Задачи:
Изучить научную литературу по выбранной теме.
Ознакомиться с областью применения ферромагнитной жидкости.
Из подручных материалов изготовить ферромагнитную жидкость.
Изготовить электромагнит для манипулирования жидкостью.
Провести эксперимент и проанализировать поведение ферромагнитной жидкости.
Гипотеза:
Если самому изготовить ферромагнитную жидкость, то можно убедиться в её необычных свойствах нано материала и рассмотреть её с помощью электронного микроскопа.
Методы исследования:
Работа с источниками.
Эксперименты и наблюдения.
Анализ экспериментов.
Содержание
I. Аннотация…………………………………………………………………………………………....……….2
II. Введение………………………………………………………………………………………….……… 3-4
III. Теоретическая часть
Что такое нанотехнологии?....……………………………………………...…………………………..6
Описание ферромагнитной жидкости………………………………..……... ……………………..6-7
Описание магнитного поля и электромагнита………….…………………………………………..7-8
Области применения ферромагнитной жидкости………………………………….…………..…8-10
Выводы…………………………………………………………………………………………………10
IV. Практическая часть
Подготовка к эксперименту………………………………………………………………………….11
Изготовление электромагнита……………………………………………………………………….11
Приготовление ферромагнитной жидкости……………………………………………………..11-12
Проведение эксперимента………………………………………………………..…………………..12
V. Заключение…………………………………………………………………………………..……………..13
VI Список использованной литературы……………………………………………………………………..14
VII Приложения……………………………………………………………………………………………….15
Основное содержание
Теоретическая часть
Популярный сегодня термин «нанотехнология» означает совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами от 1 до 100 нанометров.
Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать всё, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами – туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а, значит, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, всё, что угодно: любой предмет, любое вещество.
Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские учёные занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии российское предприятие НТ МДТ имеет уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона.
Ферромагнитные жидкость (от латинского ferrum - железо) - жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм и меньше) материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле.
Ферромагнитные жидкости – это коллоидные растворы – вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния – это твёрдый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах. (Приложение 1)
Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости.
Способы получения коллоидных систем магнитных жидкостей можно разделить на методы диспергирования и методы конденсации. Методы диспергирования заключаются в измельчении грубых частиц твердых тел до коллоидных размеров. Конденсационные методы основаны на соединении отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты коллоидных размеров.
Для того чтобы создать устойчивость подобной жидкости, необходимо связать ферромагнитные частицы с ПАВ (поверхностно-активным веществом) - оно создает так называемую защитную оболочку вокруг частиц, что не допускает их слипания, благодаря Ван-дер-Ваальсовым или магнитным силам.
Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:
ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.
Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость, и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.
Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и магнитными моментами электронов в атомах. Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Для проведения опытов с ферромагнитной жидкостью мне потребуется электромагнит. (Приложение 2)
Электромагнит - устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке тока.
Обмотку электромагнитов изготавливают из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов - обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железоникелевых и железокобальтовых сплавов.
Ферромагнитная жидкость - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии. Магнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала - малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.
Для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.
Ввиду уникальности свойств магнитные жидкости находят широкое применение в различных областях науки и техники. (Приложение 3)
Электронные устройства:
Ферромагнитные жидкости используются для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках. Вращающаяся ось окружена магнитом, в зазор между магнитом и осью помещено небольшое количество ферромагнитной жидкости, которая удерживается притяжением магнита. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска.
Ферромагнитная жидкость также используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Она удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.
Печатающие и чертежные устройства:
Есть печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. В краску вносится немного магнитной жидкости, и такая краска выбрызгивается тонкой струйкой на протягиваемую перед ней бумагу. Если струю ничем не отклонять, то будет начерчена линия. Но на пути струйки поставлены электромагниты, подобно отклоняющим электромагнитам кинескопа телевизора. Роль потока электронов здесь играет тонкая струйка краски с магнитной жидкостью - ее-то и отклоняют электромагниты, и на бумаге остаются буквы, графики, рисунки.
Машиностроение:
Применение магнитной жидкости для уплотнения вращающихся валов позволяют существенно увеличить ресурс механизмов и снизить уровень шума. В некоторых механизмах применение магнитожидкостных уплотнителей не имеют альтернативы, так-как имеют абсолютную герметичность. Утечки через магнитножидкостные уплотнения полностью исключены. Наиболее широко ее применяют для уплотнения и герметизации зазоров между движущимися частями машин.
Одной из областей применения магнитных жидкостей является их использование в качестве магнитных смазок. В чем преимущества магнитных жидкостей по сравнению с традиционными смазками? МЖ на основе масла по сравнению с тем же маслом снижает трение на 20% эффективнее.
Трение минимально, поскольку основой МЖ является масло, а размер содержащихся в ней твердых частиц на несколько порядков меньше шероховатостей идеально отполированных трущихся деталей. Дополнительным преимуществом использования МЖ в качестве смазок заключается в том, что магнитные жидкости, удерживаемые магнитным полем, не будут вытекать из агрегата. Кроме того, магнитные жидкости будут препятствовать попаданию, например, в подшипники посторонних немагнитных частиц, т.к. МЖ под воздействием магнитного поля выталкивают немагнитные материалы.
«Ferrari» использует ферромагнитные жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска мгновенно может стать более твердой или более мягкой.
Оборонная промышленность:
Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.
Авиакосмическая промышленность:
NASA проводило эксперименты по использованию ферромагнитной жидкости в замкнутом кольце как основу для системы стабилизации космического корабля в пространстве. Магнитное поле воздействует на ферромагнитную жидкость в кольце, изменяя момент импульса и влияя на вращение корабля.
Горнорудная промышленность:
Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды.
Медицина:
Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство, сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму. Также можно перемещать в организме ферменты.
Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Bce процедуры при этом существенно упрощаются. Кроме того, известны предложения о применении МЖ в качестве управляемого рентгеноконтрастного вещества для исследования скорости движения крови.
Магнитные жидкости могут использоваться в хирургии. Если расположить постоянный магнит в том месте, где хирург должен делать разрез, то пробка из магнитной жидкости, введенной шприцем в вену или артерию, будет перекрывать ток крови после разреза.
Магнитоуправляемые частицы магнетита используются для лечения рака. Этот метод лечения (гипертермия) основан на том, что под действием переменного магнитного поля частицы магнетита разогреваются, подавляя рост раковых клеток. (Приложение 4)
Экология:
Огромный интерес для исследователей представляет возможность очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью магнитных жидкостей. В основе процесса лежит принцип омагничивания нефтепродуктов путем добавления магнитной жидкости в сточные воды и последующего отделения омагниченных нефтепродуктов специальными магнитными системами.
Магнитную жидкость можно применять для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Часто случается так, что человек не в состоянии предотвратить загрязнение нефтепродуктами поверхности воды, например, при аварии танкера с нефтью, когда громадное пятно покрывает многие квадратные километры моря, загрязняя все вокруг. Очистка воды от таких загрязнений – дело очень трудное, долгое и не всегда выполнимое. Но и здесь помогает магнитная жидкость. На разлившееся пятно с вертолета разбрызгивают небольшое количество магнитной жидкости, которая быстро растворяется в нефтяном пятне, затем в воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться в точку, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.
Выводы:
Ферромагнитная жидкость - очень интересный объект для опытов и исследований.
Я считаю, что опыты с манипулированием ферромагнитной жидкостью довольно актуальны и интересны, потому что причудливые формы, принимаемые ей, вызывают интерес и любопытство. К тому же эта жидкость может наглядно продемонстрировать нам действие магнитного поля.
Уже сейчас ферромагнитная жидкость активно используется во многих областях науки и техники, области ее применения продолжают, и будут продолжать расширяться.
Практическая часть
Подготовка к эксперименту
Подумав над предстоящей работой, я смог разделить практическую часть моего исследования на 5 основных этапов:
Сбор необходимой информации о предстоящем опыте (техника безопасности, инструкции по изготовлению и т.д.)
Изготовление электромагнита.
Приготовление ферромагнитной жидкости.
Проведение эксперимента.
Описание проведенного опыта (сделать фотографии и т.д.)
Для того чтобы найти оптимальный режим работы электромагнита мне нужен блок питания с регулируемой мощностью. При этом важно чтобы магнит одновременно работал на пределе своих возможностей и не сгорел от перегрева.
Изготовление электромагнита:
Для изготовления электромагнита мне потребовалось:
Железный сердечник.
Медная проволока.
Два провода.
Изоляционный материал.
Для начала изолируем сердечник будущего электромагнита, чтобы избежать коротких замыканий. В нашем случае это будет железный болт.
Наматываем изолированную медную проволоку на болт. Я использовал для этого электродрель. Перед тем как начать наматывать проволоку, мы выводим ее свободный конец, чтобы мы могли к нему подсоединиться, а второй наматываем на болт.
Полностью изолируем магнит и выводим второй конец наружу. Электромагнит готов. (Приложение 5)
В дальнейшем подключив магнит к блоку питания, мы сможем регулировать силу воздействия электромагнитного поля на ферромагнитную жидкость.
Приготовление ферромагнитной жидкости:
Для того чтобы приготовить ферромагнитную жидкость мне понадобилось:
Тонер для лазерного принтера или девелопер, (желательно чтобы частицы материала с магнитными свойствами в нем были как можно меньше).
Машинное масло.
Нужно помнить, что девелопер для тонера очень маркий, поэтому обращаться с ним нужно предельно осторожно.
Насыпаем в тару для смешивания девелопер.
Наливаем в тару машинное масло.
Ингредиенты нужно смешать до состояния сметаны. Ферромагнитная жидкость готова. (Приложение 6)
Проведение эксперимента
После завершения всех приготовлений, мы можем приступить к проведению эксперимента.
Как только я поднес постоянный магнит к ферромагнитной жидкости она тут же начала поляризоваться и принимать различные формы. (Приложение 7)
После того как мы убедились в том что изготовленная ферромагнитная жидкость работает, я могу использовать для своих опытов электромагнит.
С помощью блока питания с регулируемой мощностью смог подобрать необходимое напряжение, чтобы электромагнит работал на пределе свих возможностей и при этом не перегревался, для моего электромагнита это напряжение не выше 30V.
Зафиксировав электромагнит, я приступил к подробному рассмотрению процесса.
На специальную, заранее приготовленную площадку на электромагните я поместил каплю ферромагнитной жидкости.
Включив электромагнит, мы наблюдаем удивительные метаморфозы ферромагнитной жидкости под воздействием электромагнитного поля.
Мы наблюдаем, как за долю секунды жидкость приобрела состояние твердого вещества, без какого либо механического воздействия.
Самое интересное, что при отключении электромагнита, ферромагнитная жидкость возвращается в прежнее состояние. (Приложение 8)
Повторяя подобный эксперимент можно еще раз убедиться в том, что ферромагнитная жидкость состоит из очень маленьких частиц обладающих магнитными свойствами. То же самое можно увидеть на поверхности магнита, если поводить им в песке или земле.
После проведения экспериментов, я не захотел останавливаться на достигнутом, мне захотелось рассмотреть этот процесс еще ближе, в более мелких подробностях. Для этого я использую цифровой микроскоп. Я надеюсь получить кадры многократно увеличенной ферромагнитной жидкости под воздействием электромагнитного поля.
Я рассмотрел под микроскопом ферромагнитную жидкость в «спокойном» состоянии и под воздействием электромагнита. (Приложение 9)
Заключение
В результате проведённой мною работы я получил ферромагнитную жидкость, изготовил из подручных материалов электромагнит для наблюдения действия его на магнитную жидкость, провёл наблюдения за изменениями, которые получает ферромагнитная жидкость под действием магнитного поля. Я узнал, что ферромагнитная жидкость обладает удивительными свойствами и уже сейчас широко применяется в различных областях науки, техники, медицины, и может иметь еще большее применение в будущем.
Список литературы
Брук Э.Т., Фертман В.Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. - Минск, Вышейшая школа, 1983.
Авдеев М.В., Аксенов В.Л. Малоугловое рассеяние нейтронов в структурных исследованиях магнитных жидкостей /УФН. – 2010.- Т. 180.- С. 1009-1034.
Материал из Википедии – свободной энциклопедии. Категория: магнетизм. [Электронный ресурс] http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость
Приложение
Приложение 1
[pic] [pic]
Фотография ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля (крупный план)
Приложение 2
[pic]
Приложение 3
О [pic] бласти применения ферромагнитной жидкости
Приложение 4
[pic]
Гипертермия
Приложение 5
[pic] [pic]
[pic] [pic]
Для более простого и быстрого наматывания проволоки на электромагнит можно использовать электродрель.
П [pic] [pic] [pic] [pic] риложение 6
П [pic] [pic] риложение 7
На следующих фотографиях, под воздействием круглого постоянного магнита изображены изготовленная мной ферромагнитная жидкость и техническая.
П [pic] [pic] риложение 8
[pic]
Установка для эксперимента
Приложение 9
[pic] [pic]
[pic]
Я рассмотрел под микроскопом ферромагнитную жидкость в «спокойном» состоянии и под воздействием электромагнита.
[pic]
[pic]
Фотографии ферромагнитной жидкости в многократном увеличении.
[pic] [pic]
