Ферромагнитная жидкость свойства. Применение магнитных жидкостей

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:

олеиновая кислота; тетраметиловый гидроксид аммония; полиакриловая кислота; полиакрилат натрия; лимонная кислота; cоевый лецитин

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.

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.

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.

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)

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:

Олеиновая кислота

Гидроксид тетраметиламмония

Полиакриловая кислота

Полиакрилат натрия

Лимонная кислота

Соевый лецитин

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:

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:

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.

Приложение

Приложение 1 Приложение 4

Гипертермия

Приложение 5

Для более простого и быстрого наматывания проволоки на электромагнит можно использовать электродрель.

П

риложение 6

П

риложение 7

На следующих фотографиях, под воздействием круглого постоянного магнита изображены изготовленная мной ферромагнитная жидкость и техническая.

П

риложение 8

Установка для эксперимента

Приложение 9

И. Сенатская, кандидат химических наук Ф. Байбуртский

Удивительную жидкость, которая притягивается к магниту, образуя что-то вроде ежа, можно получить самостоятельно.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Строго говоря, к магнитному полю неравнодушны - притягиваются или отталкиваются - все вещества. Но на большинство оно действует настолько слабо, что это удается обнаружить только приборами. А можно ли усилить магнитные свойства материала? К примеру, инженеры давно мечтают о системах, которые позволили бы придать некоторым веществам или телам магнитные свойства, при этом абсолютно не разрушая их структуры и мало изменяя их исходные свойства. Наш рассказ о магнитных жидкостях.

Лет пятьдесят назад была запатентована оригинальная конструкция механической муфты - устройства для передачи вращения от одного вала к другому. Муфта содержала смесь железного порошка и масла. Под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим по катушке, жидкость "твердела", и тогда два вала начинали работать как единое целое. При отсутствии же поля крутящий момент не передавался. Все бы хорошо, не будь такая жидкость капризной: то в ней появлялись комки, то она вдруг не хотела твердеть. Потому магнитные порошковые муфты долго не находили применения (1).

Все изменилось, когда за дело взялись химики и создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок.

Так что же это такое - магнитная жидкость?

Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами (2).

Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях.

Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. А поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. А пока поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости.

Все они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Начнем с самого простого. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники - краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прервать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Хотя их делают уже давно, ни один кран надежным не назовешь: его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе (3).

В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном.

А вот еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз!

А преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (4).

Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии (в данном случае - с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. Подобное устройство может снабжать энергией миниатюрный радиоприемник или электронные часы. Оно способно преобразовывать удары капель дождя по крыше в электрический ток и получать таким образом даровую энергию.

Явление плавания тяжелых тел под действием неоднородного магнитного поля, погруженных в магнитную жидкость, позволило использовать магнитные жидкости в горно-обогатительных процессах. Неоднородное магнитное поле приводит к уплотнению магнитной жидкости, вследствие чего всплывают немагнитные частицы высокой плотности - медные, свинцовые, золотые. Поскольку неоднородность магнитного поля легко изменять в широких пределах, можно заставить плавать частицы определенной плотности. Это стало основой для создания технологии магнитной сепарации руд по плотностям. Смесь частиц различной плотности падает на слой магнитной жидкости, висящий между полюсами электромагнита. Ток в электромагните можно подобрать так, чтобы легкие частицы смеси всплывали в магнитной жидкости, а тяжелые - тонули. Если установить полюса электромагнита наклонно, легкие частицы станут двигаться вдоль поверхности слоя и процесс разделения смеси станет непрерывным: тяжелые частицы провалятся сквозь слой магнитной жидкости и попадут в один приемник, а легкие частицы скатятся по ее поверхности в другой (5).

Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.

Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. 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 (6).

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. Все процедуры при этом существенно упрощаются.

А теперь выполняем обещание, данное в начале статьи, - даем рецепт водной магнитной жидкости (самой простой в изготовлении среди известных). Запаситесь аптечными весами с разновесами, двумя колбами, химическим стаканом, фильтровальной бумагой и воронкой, хорошим (желательно кольцевым - из динамика) магнитом, небольшой электрической плиткой и фарфоровым стаканчиком на 150-200 мл. Для получения качественной магнитной жидкости необходимо иметь маленькую настольную центрифугу. У вас под рукой должны быть соли двух-и трехвалентного железа, аммиачная вода (25%-ной концентрации), натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло), индикаторная бумага фирмы "Лахема" и дистиллированная вода. Цифры приведены в расчете на 10 граммов твердой магнитной фазы (магнетита) магнитной жидкости.

Получив магнитную жидкость, раскрепостите свою фантазию. Придумайте с нею физический опыт, сделайте занимательную игрушку. Пришлите в редакцию рассказ о своей работе с цветными иллюстрациями. Самые интересные отчеты будут опубликованы. Желаем удачи!

магнитная жидкость сокр., МЖ иначе феррожидкость (англ. ) — устойчивая высокодисперсных ферро- или ферримагнитных частиц в жидкости-носителе.

Описание

Магнитные жидкости представляют собой высокодисперсных магнитных частиц размером от 5 до 50 нм, находящихся, как правило, в , или ферри состояниях (частицы металлов, оксидов железа и пр.). МЖ обладают уникальным сочетанием текучести и способности взаимодействовать с магнитным полем. Свойства магнитной жидкости определяются совокупностью характеристик входящих в нее компонентов (твердой магнитной фазы, дисперсионной среды и стабилизатора), варьируя которые можно в довольно широких пределах изменять параметры МЖ.

Различают два вида магнитных жидкостей - ПАВ-содержащие МЖ и ионные МЖ, в которых стабилизация магнитных происходит при помощи или за счет поверхностного заряда, соответственно.

Процесс получения магнитной жидкости состоит из двух основных стадий: получения магнитных частиц нужного размера и стабилизации их в жидкой среде (жидкости-носителе). Основная сложность этого процесса состоит в том, что обе стадии должны быть совмещены во времени, чтобы предотвратить частиц.

Магнитные жидкости на основе неполярных сред с размером частиц порядка 1 мкм называются магнитореологическими жидкостями. Их особенностью является резкое увеличение вязкости под воздействием магнитного поля, а в сильных полях они могут полностью «затвердевать». Данное свойство относит их к с нелинейным откликом на внешнее воздействие.

Магнитные жидкости, благодаря необычному сочетанию свойств магнетиков, жидкостей и коллоидных растворов, являются перспективными материалами и находят применение в различных областях техники: при создании магнитножидкостных уплотнений в химической промышленности, в качестве магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в системах охлаждения (например, феррожидкостного охлаждения звуковых катушек динамика), в биологии и медицине.

Иллюстрации

Автор

Гольдт Анастасия Евгеньевна

Источники

Макаров В.М., Калаева С. З., Шипилин А.М. и др. Переработка железосодержащих отходов с получением наночастиц для изготовления магнитной жидкости // Нанотехника. 2004. Т. 4, №12. С. 66–69.
Scherer C. and Figueiredo Neto A. M. Ferrofluids: Properties and Applications // Brazilian J. Phys. 2005. V. 35. P. 718–727.

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

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.