Ферромагнитная жидкость что это
15 интересных фактов о магнитных жидкостях
Здесь мы рассмотрим, что они из себя представляют, как они работают.
Что такое магнитная жидкость?
Магнитные жидкости, согласно науке являются:
«Коллоидные системы, состоящие из однодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе, являются удобными модельными системами для исследования фундаментальных свойств магнитных наночастичных систем.»
Эти жидкости, как правило, остаются в жидком состоянии, даже когда они контролируются, перемещаются или кинетически взаимодействуют с магнитным полем.
Традиционные методы приготовления магнитных жидкостей включают длительное измельчение магнитного материала стальными шариками в течение нескольких недель в среде-носителе, содержащей диспергирующий агент.
В этих методах измельчения олеиновую кислоту обычно использовали для стабилизации дисперсий в керосине и других углеводородных дисперсионных средах.
Один из примеров называется феррофлюид или ферромагнитная жидкость. Эта магнитная жидкость становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля и была впервые разработана НАСА в начале 1960-х годов.
Он был разработан для поиска способа перемещения жидкого ракетного топлива на входе насоса в условиях низкой гравитации или невесомости.
Магнитные жидкости, например, феррожидкости, как правило, состоят из наноразмерных частиц, каждая из которых обычно покрывается поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их скопление. Феррожидкости обычно теряют индуцированный магнетизм при удалении из внешнего магнитного поля.
По этой причине они классифицируются как «суперпарамагниты».
Однако в 2019 году команде исследователей из Массачусетского университета и Пекинского университета химических технологий удалось создать магнитную жидкость, которая может оставаться постоянно намагниченной. Этот прорыв бросил вызов устоявшейся вере в то, что только плотные твердые частицы с фиксированной формой способны на это свойство.
Как работают ферромагнитные жидкости?
Феррожидкости, как мы видели, содержат мельчайшие частицы окиси железа. Когда магнит притягивается близко к жидкости, эти частицы притягиваются к ней.
Это обычно приводит к тому, что жидкость создает удивительные выглядящие иглы или шипы. Причина этого кроется в сложном взаимодействии различных сил.
Частицы оксида железа притягиваются к магнитному полю, а также само магнитное поле притягивается к жидкости.
Частицы и масло работают вместе как единое целое благодаря наличию поверхностно-активного вещества. Один конец поверхностно-активного вещества плотно прилегает к частицам оксида железа, а другой также удерживает масло.
Из-за этого феррожидкость в целом направляется в концентрированные колонны.
В то же время сила тяжести пытается оттянуть колонны вниз, в то время как поверхностное натяжение масла заставляет каждую колонку тянуть себя, создавая характерные иглы жидкости.
Вы можете прикоснуться к феррожидкости?
Конечно, можете, но это не рекомендуется. Феррожидкость считается основным раздражителем кожи.
Как только Вы касаетесь феррожидкости пальцем, жидкость быстро начинает перемещаться вверх по гребням пальца и вокруг ногтя.
Это не только выглядит неприглядно, но и может и будет раздражать вашу кожу. Она также может надолго оставить на коже пятно.
15 фактов о магнитных жидкостях
Итак, без лишних слов, вот 15 фактов о чудесных материалах, которые являются магнитными жидкостями. Этот список далеко не исчерпывающий и не имеет определенного порядка.
1. Магнитные жидкости, а именно феррожидкости, были разработаны в 1960-х годах Стивом Папелем из НАСА, чтобы помочь перемещать ракетное топливо в условиях микрогравитации.
2. Когда эти жидкости подвергаются воздействию магнитного поля, они имеют тенденцию образовывать характерные шипы или иголки.
3. Большинство магнитных жидкостей не остаются намагниченными в отсутствие внешнего магнитного поля.
4. Феррожидкости обладают сильной окрашивающей способностью и могут окрашивать кожу, стекло и даже керамические поверхности.
5. Настоящая феррожидкость остается стабильной в течение длительного периода времени. Это происходит потому, что содержащиеся в них твердые частицы не агломерируются и не отделяются под действием силы тяжести.
6. Феррожидкости в настоящее время исследуются для лечения опухолей. Идея состоит в том, чтобы ввести их в опухоль и разорвать их на части с помощью магнитных полей.
7. Есть надежда, что магнитные жидкости могут помочь в разработке умных жидкостей в будущем. Такие жидкости могут изменять состояние между твердым и жидким по команде.
8. Некоторые феррожидкости были использованы в системах подвески автомобилей. Изменяя электрический ток через них, жидкость регулирует жесткость подвески в зависимости от условий вождения.
9. Магнитные жидкости становятся все более популярными в качестве художественной среды. В некоторых художественных и научных музеях есть специальные экспонаты, посвященные этим удивительным жидкостям.
10. Возможно, Вы также заметили феррожидкости более чем в нескольких музыкальных клипах. Например, группа Pendulum использовала феррожидкость для музыкального клипа к треку «Акварель».
11. Типичная феррожидкость состоит из 5% магнитных твердых тел, 10% поверхностно-активных веществ и 85% несущей жидкости.
12. Поверхностно-активные вещества имеют жизненно важное значение для феррожидкостей, поскольку они снижают поверхностное натяжение между жидкими и твердыми компонентами. Обычно для этой цели используют олеиновую кислоту, гидроксид тетраметиламмония, лимонную кислоту или соевый лецитин.
13. НАСА также экспериментировало с текучими железными жидкостями в замкнутом контуре с электромагнитами в качестве системы контроля высоты.
14. Магнитные жидкости, такие как феррожидкости, сегодня используются в различных технологиях. Применяются в громкоговорителях, компьютерных жестких дисках, двигателях с вращающимся валом и в качестве контрастного вещества для МРТ.
15. Феррожидкости не следует путать с магнитореологическими жидкостями. Последний состоит из частиц микрометрового масштаба, которые со временем осядут под действием силы тяжести.
“Волшебная” жидкость Стива Папелла: от проектов NASA к жидкостному охлаждению динамиков
Среди изобретений, применяемых в современной электроакустике, особый интерес представляет ферромагнитная жидкость. Сегодня на YouTube можно увидеть немало красивых фокусов с ее использованием, но дело даже не в этом. Появление этой жидкости было напрямую связано с разработкой космической техники.
История создания и отказ от использования
Ферромагнитную жидкость создал американский ученый Стив Папелл более 50 лет назад. В то время Папелл работал инженером в NASA и участвовал в разработке двигателей для космических аппаратов.
Стив Папелл и ферромагнитная жидкость
Разработчик столкнулся с проблемой — нужно создать систему, которая заставляла бы топливо из бака перемещаться к отверстию, через которое насос закачивает его в камеру сгорания. Если речь идёт о жидком топливе, то в условиях невесомости жидкость свободно левитирует в баке.
Для решения задачи ученый решил применить оригинальную идею — сделать топливо магнитным, смешав его с какой-нибудь массой, обладающей магнитными свойствами. Таким образом, с применением внешних магнитов, можно будет легко управлять топливом в баке.
Для реализации такого механизма управления лучше всего подходила жидкая субстанция. Через несколько недель экспериментов Папелл подарил миру ферромагнитную жидкость. Для создания своей жидкости ученый использовал двойной оксид железа магнетит (Fe3O4), который он измельчал, смешивая олеиновой кислотой и затем добавляя органические растворители.
После завершения техпроцесса получалась коллоидная суспензия, которая содержала взвесь частиц магнетита размером 0,1 — 0,2 микрона, в соотношении: 5% частиц магнетита, 10 % модификатора, 75% растворителя (например, масло). Молекулы олеиновой кислоты использовались как модификатор, который не позволял слипаться частицам оксида.
Изобретение инженера было запатентовано в 1965-м году US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles).
Изобретение Папелла было с восторгом принято его коллегами по научному сообществу и космическому агентству, позволило его имени остаться в истории физики. Однако, несмотря на интерес, NASA так и не использовало его идеи, главным образом потому, что было отдано предпочтение твердому ракетному топливу. Дальнейшие эксперименты с ферромагнитной жидкостью в NASA касались систем стабилизации корабля в пространстве.
Созданная Папеллом жидкость, оценивается как очень весомый вклад — этим изобретением он заложил основу одной из новых отраслей физического знания — феррогидродинамике. Дальнейшие разработки и внедрение ферромагнитной жидкости в производственную практику велись под руководством коллеги Папелла по NASA, Рона Розенцвейга. Работы проводились в корпорации AVCO, которая ставила целью коммерческое применение этого изобретения.
Рон Розенцвейг и ферромагнитная жидкость
Динамики с жидкостью
Сложно сказать, какая компания начала первой использовать ферромагнитную жидкость для производства динамиков. Компания SONY стала первым массовым производителем звуковых излучателей с ферромагнитной жидкостью, применив её для создания ВЧ-драйверов и широкополосников в 2012-м году. Сегодня, по данным www.czferro.com, более 300 млн динамиков в год выпускаются с применением феррофлюида.
Жидкость применяется для отвода тепла от звуковой катушки, а также выступает в качестве дополнительного демпфера, который гасит паразитные резонансы. В существующих сегодня конструкциях ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре между катушкой и магнитом благодаря воздействию магнитного поля, выполняя роль центрирующей шайбы.
В классической конструкции динамиков шайба, обеспечивающая центрирование и амортизацию звуковой катушки, напрямую связывает её (катушку) с диффузором. Исследования, проведенные в SONY, показали, что традиционная конструкция вносит больше искажений.
Дело в том, что шайба фактически выступает как второй диффузор и, соответственно, создает колебания. Устранение шайбы сводит к нулю её влияние на звуковоспроизведение. При использовании жидкости возможно уменьшение расстояния между катушкой и диффузором, что позволяет свести к минимуму потери при передаче колебаний, сделать динамик более плоским и компактным (при сохранении прежнего уровня громкости).
Жидкость обеспечивает прирост громкости от 2 дБ и на 35% снижает энергопотребление. Соответственно, конструкция повышает КПД динамика, при этом обеспечивая дополнительное демпфирование. Эффекты жидкости, позволяющие увеличить демпфирование и снизить резонансы такого динамика, были исследованы уже в 21-м веке aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.345854.
“Мокрые” против “сухих”
Появление нового типа динамиков ожидаемо вызвало реакцию в среде людей небезразличных к аудиоаппаратуре. Как водится, разгорелись дискуссии, где мнения аудиофилов, меломанов и прочих сочувствующих разделились.
Традиционалисты, “попробовав” новшество, отметили ухудшение динамических (и в особенности “микродинамических”) характеристик. Критики особенно часто упирают на субъективные ощущения при прослушивании и авторитет своего экспертного опыта в аудио. Сторонники инновации отметили снижение искажений, более высокую верность воспроизведения и высокую громкость (учитывая размеры динамиков), при отсутствии объективных данных о том, чем плоха жидкость.
Дошло даже до того, что некоторые “смелые экспериментаторы” стали удалять жидкость из зазора и рассказывать о том, что “звук стал значительно лучше” (я устал комментировать такие вещи, поэтому как факт).
Кто-то также усиленно пытался культивировать стереотип о том, что динамики с жидкостью устанавливают только в бюджетную аппаратуру, что также не соответствует действительности.
С шедеврами логики по этой теме от некоторых “умудренных жизненным опытом” любителей аудио образца 2012-го года можно ознакомиться здесь.
Со своей стороны хочу предостеречь желающих удалить жидкость из динамиков своей аудиосистемы, телевизора или ноутбука. Инженеры производителей не идиоты, и, если бы они хотели применить конструкцию с шайбой, они бы это сделали. Не являюсь большим экспертом в “микродинамике”, но вероятно, что любые динамические изменения при использовании жидкости будут находиться в пределах величин, которыми можно пренебречь (если вообще будут).
Ферромагнитная жидкость одно из интереснейших изобретений прошлого столетия, внедрение которого только начинается. Её использование вместо центрирующей шайбы — одна из самых заметных и значимых инноваций в производстве динамических излучателей за последние 10 лет. Возможно, статья кому-то покажется однобокой, но мне не удалось найти весомых аргументов в пользу того, что жидкость “вредит звуку” или как-то его портит. Если такие факты существуют — делитесь в комментах. Но пока, на мой взгляд — это исключительно благо.
В качестве завершения рекомендую к просмотру несколько потрясающе красивых роликов с ферромагнитной жидкости.
Занятые визуальные эффекты и скульптуры из ферромагнитной жидкости:
Получение и применение ферромагнитной жидкости
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: veklich95@mail.ru
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.
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 Fe2O3 c оксидами других металлов.
Рассмотрим принцип получения ферромагнитной жидкости.
Выделим основные задачи:
1) получить высокодисперсные частицы феррофазы;
2) стабилизировать их в жидкости-носителе.
Для получения МЖ в химической лаборатории использовался метод конденсации высокодисперсного магнетита, в основе которого лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде: FeSO4*7H2O + 2FeCl3*6H2O + 8NH3*H2O → Fe3O4 + 6NH4Cl + (NH)2SO4 + 20H2O
Реактивы: FeSO4*7H2O; FeCl3*6H2O; 25%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода, мыло.
Предложенные для проведения эксперимента массы веществ были уменьшены в четыре раза.
1. В дистиллированной воде растворить FeSO4*7H2O и FeCl3*6H2O ( 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
Ферромагнитная жидкость что это
Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного, обычная безделушка. Но на самом деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, предотвратить экологическую катастрофу, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак!
Ферромагнитная жидкость – это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии.
Ферромагнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала – малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.
Для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.
Мне стало интересно узнать, как же все это происходит. И я решил написать исследовательскую работу, а так же провести несколько увлекательных и наглядных опытов посвященных этой очень интересной теме.
Ферромагнитная жидкость (от латинского ferrum – железо) – жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм и меньше) материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле.
Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного, обычная безделушка. Но на самом деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, защитить от радиации, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак! Мне стало интересно узнать, как же все это происходит. И я решила написать исследовательскую работу на эту очень интересную тему.
Ферромагнитная жидкость имеет широкое применение в электронных устройствах, машиностроении, оборонной промышленности, медицине, горнорудной промышленности, аналитических приборах и даже в авиакосмической промышленности.
Самым интересным мне показался тот факт, что в настоящее время ведётся много экспериментов по использованию ферромагнитной жидкости для удаления и диагностики раковых опухолей. Ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро изменяющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль.
Несмотря на широкое применение, мы мало знаем о ферромагнитной жидкости, способах её получения и магнитных свойствах.
Ферромагнитная жидкость, изготовленная в домашних условиях.
Поведение металлического порошка в ПАВ.
Подумав о предстоящей работе, я смог сформулировать цель работы и задачи, которые мне предстоит выполнить.
Получить ферромагнитную жидкость и изучить её применение.
Изучить научную литературу по выбранной теме.
Ознакомиться со свойствами ферромагнитной жидкости.
Из подручных материалов изготовить ферромагнитную жидкость.
Провести эксперимент и проанализировать поведение ферромагнитной жидкости.
Если самому изготовить ферромагнитную жидкость, то можно убедиться в её необычных свойствах нано материала.
Работа с источниками.
Эксперименты и наблюдения.
Новизна: В данной работе не только рассмотрено понятие магнитной жидкости и способ получения, но и рассмотрены области применения, в которых может использоваться данная жидкость.
Результаты исследований могут использоваться на уроках физики и химии, экологии, факультативных занятиях, для самообразования учащихся.
I В ногу со временем
1.1 Что такое нанотехнологии?
Популярный сегодня термин «нанотехнология» означает совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами от 1 до 100 нанометров. Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать всё, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами – туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а, значит, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, всё, что угодно: любой предмет, любое вещество.
Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские учёные занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии российское предприятие НТ МДТ имеет уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона.
1.2 Описание ферромагнитной жидкости
Ферромагнитные 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.
Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:
ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.
1.3 Описание магнитного поля
Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость, и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.
Для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.
1.4 Области применения ферромагнитной жидкости
Ввиду уникальности свойств магнитные жидкости находят широкое применение в различных областях науки и техники. (Приложение 3)
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:
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.
Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно 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.
В традиционной технологии электрораспыления используются крошечные полые иголки, с кончиков которых под воздействием приложенного электростатического напряжения распыляется крошечный поток жидкости. Но у этой технологии имеется и обратная сторона медали, иглы являются непрочными, дорогостоящими в производстве, они легко забиваются и разрушаются.
Для решения этой проблемы исследователи создали новый вид двигателя, который под воздействием прикладываемого магнитного поля “сам себя собирает” из своего же топлива, ферромагнитной жидкости. При этом, данный двигатель является буквально неразрушимым, ферромагнитная жидкость моментально восстанавливает свою форму при ее искажении каким-либо внешним воздействием.
“Под воздействием магнитного поля жидкость принимает форму “ежа” с множеством иголок” – рассказывает Брэндон Джексон, – “А когда мы прикладываем к этому сильное электрическое поле, каждая иголка испускает в пространство крошечный поток ионизированной жидкости”. Потеря двигателем жидкости восполняется из резервуара и иголки постоянно восстанавливают свою форму, что позволяет с высокой точностью регулировать развиваемую двигателем тягу.
В настоящее время исследовательская группа уже определила все сложные “взаимоотношения”, связывающие силу магнитного, электрического поля и силы поверхностного натяжения ферромагнитной жидкости. Сейчас Научно-исследовательское управление ВВС США (Air Force Office of Scientific Research, AFOSR) заключило контракт с научной группой, целью которого является продолжение исследований в данном направлении. В рамках этого контракта будут проведены углубленные изучения динамики и процессов, происходящих в одной иголке магнитной жидкости, а после этого группа приступит к созданию прототипа нового двигателя, в котором будет использоваться не менее 100 иголок.
В дополнение к разрабатываемому космическому двигателю данная технология электрораспыления ферромагнитной жидкости может быть использована и во множестве других областей, включая спектрометрию, фармацевтическую промышленность, нанопроизводство и т.п. А Мичиганский технологический университет уже подал патентную заявку на свое изобретение и ожидает ее ближайшего одобрения.
Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды.
Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство, сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму. Также можно перемещать в организме ферменты.
Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Bce процедуры при этом существенно упрощаются. Кроме того, известны предложения о применении МЖ в качестве управляемого рентгеноконтрастного вещества для исследования скорости движения крови.
Магнитные жидкости могут использоваться в хирургии. Если расположить постоянный магнит в том месте, где хирург должен делать разрез, то пробка из магнитной жидкости, введенной шприцем в вену или артерию, будет перекрывать ток крови после разреза.
Магнитоуправляемые частицы магнетита используются для лечения рака. Этот метод лечения (гипертермия) основан на том, что под действием переменного магнитного поля частицы магнетита разогреваются, подавляя рост раковых клеток. (Приложение 5)
Огромный интерес для исследователей представляет возможность очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью магнитных жидкостей. В основе процесса лежит принцип омагничивания нефтепродуктов путем добавления магнитной жидкости в сточные воды и последующего отделения омагниченных нефтепродуктов специальными магнитными системами.
Магнитную жидкость можно применять для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Часто случается так, что человек не в состоянии предотвратить загрязнение нефтепродуктами поверхности воды, например, при аварии танкера с нефтью, когда громадное пятно покрывает многие квадратные километры моря, загрязняя все вокруг. Очистка воды от таких загрязнений – дело очень трудное, долгое и не всегда выполнимое. Но и здесь помогает магнитная жидкость. На разлившееся пятно с вертолета разбрызгивают небольшое количество магнитной жидкости, которая быстро растворяется в нефтяном пятне, затем в воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться в точку, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.
Уже сейчас ферромагнитная жидкость активно используется во многих областях науки и техники, области ее применения продолжают, и будут продолжать расширяться.
II Нет лучше знания от опыта
2.1 Подготовка к эксперименту
Подумав над предстоящей работой, я смог разделить практическую часть моего исследования на 5 основных этапов:
Сбор необходимой информации о предстоящем опыте (техника безопасности, инструкции по изготовлению и т.д.)
Приготовление ферромагнитной жидкости.
Описание проведенного опыта (сделать фотографии и т.д.)
2.2 Приготовление ферромагнитной жидкости:
Для того чтобы приготовить ферромагнитную жидкость мне понадобилось:
Нужно помнить, что металлический порошок очень маркий, поэтому обращаться с ним нужно предельно осторожно.
Насыпаем в тару для смешивания порошок.
Наливаем в тару машинное масло.
Ингредиенты нужно смешать до состояния сметаны. Ферромагнитная жидкость готова. (Приложение 6)
2.3 Проведение эксперимента
После завершения всех приготовлений, мы можем приступить к проведению эксперимента.
После того как я убедился в том, что изготовленная ферромагнитная жидкость работает, я могу использовать для своих опытов магнит.
Как только я поднес магнит к ферромагнитной жидкости она тут же начала поляризоваться и принимать различные формы. (Приложение 7)
При помощи магнита, мы наблюдаем удивительные метаморфозы ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля. Мы наблюдаем, как за долю секунды жидкость приобрела состояние твердого вещества, без какого-либо механического воздействия.
Самое интересное, что при отведении магнита от полученного вещества, ферромагнитная жидкость возвращается в прежнее состояние.(Приложение 8)
Повторяя подобный эксперимент можно еще раз убедиться в том, что ферромагнитная жидкость состоит из очень маленьких частиц обладающих магнитными свойствами.
После проведения экспериментов, я не захотела останавливаться на достигнутом, мне захотелось рассмотреть этот процесс еще ближе, в более мелких подробностях. Для этого я использую цифровой микроскоп. Я надеюсь получить кадры многократно увеличенной ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля.
Я рассмотрела под микроскопом ферромагнитную жидкость в «спокойном» состоянии и под воздействием магнита. (Приложение 9)
В результате проведённой мною работы я получил ферромагнитную жидкость и провёл наблюдения за изменениями, которые получает ферромагнитная жидкость под действием магнитного поля. Я узнал, что ферромагнитная жидкость обладает удивительными свойствами и уже сейчас широко применяется в различных областях науки, техники, медицины, и может иметь еще большее применение в будущем.
IV Список литературы
Авдеев М.В., Аксенов В.Л. Малоугловое рассеяние нейтронов в структурных исследованиях магнитных жидкостей /УФН. – 2010.- Т. 180.- С. 1009-1034.
Материал из Википедии – свободной энциклопедии. Категория: магнетизм. [Электронный ресурс] http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость
В.Е. Фертман. Магнитные жидкости. Справочное пособие. 1988 год. 284 стр.
Ф отография ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля (крупный план)
Области применения ферромагнитной жидкости
Разработан новый тип электромагнитного двигателя для спутников, использующий ферромагнитную жидкость
Приложение 6 Проведение эксперимента и получение ферромагнитной жидкости