XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Свойства ферромагнитной жидкости и её применения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бояркин А.А. 1

---

1Забайкальский краевой лицей-интернат

Осипов А.А. 1

---

1Забайкальский краевой лицей-интернат

Работа в формате PDF

919 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Паспорт проекта

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы заключается в том, что ферромагнитная жидкость является невероятно полезной в создании многих приборов, однако её потенциал не раскрыт полностью.

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.

Проблема состоит в следующем - ферромагнитная жидкость редко используется на уроках физики.

Цель: продемонстрировать способы использования ферромагнитной жидкости на уроках физики.

Задачи:

1) Изучить теоретический материал по разделу электродинамика.

2) Изготовить ферромагнитную жидкость в домашних условиях.

3) Провести эксперименты и продемонстрировать физические явления с использованием ферромагнитной жидкости.

4) Представить результат в виде описания свойств, фото и видео съёмки.

Гипотеза: демонстрация физических явлений с использованием ферромагнитной жидкости на уроках физики упростит понимание электродинамики.

Объект исследования: Электродинамика

Предмет исследования: Ферромагнитная жидкость

Методы исследования:

-Анализ и синтез.

- Наблюдение.

- Эксперимент.

Глава I. Наука и история

1. 3. Электродинамика и ферромагнитная жидкость.

Электродинамика  — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение электрический ток и его взаимодействие с электромагнитным полем. Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся посредством электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики. Главную роль в ферромагнитной жидкости выполняют магнитные поля.

Магнитное поле — поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле может создаваться электрическим током или, в случае постоянных магнитов, магнитными моментами электронов в атомах Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

В специальной теории относительности магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей.

Вместе магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны.

Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля — взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются.

Ферромагнитная жидкость имеет магнитное поле, то есть является магнитом.

Электрическое поле — вид материи, который окружает каждый электрический заряд, а также возникает при наличии изменяющегося во времени магнитного поля, и оказывает силовое воздействие на все покоящиеся заряды, притягивая или отталкивая их.

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем. 

1.2 История создания ферромагнитной жидкости.

Ферромагнитные жидкости представляют собой высокоустойчивые

коллоидные растворы однодоменных ферро- и ферримагнитных микрочастиц в некоторой жидкости-носителе (воде, углеводородных средах, минеральных и кремнийорганических маслах и т.п.). На свойства ферромагнитной жидкости большое влияние оказывает выбор дисперсного магнетика, в качестве которого используются магнетит (FeO·Fe₂O₃), ферриты-шпинели (MFe₂O₄), ферриты-гранаты (MFe₅O₁₂), а также переходные металлы, высокодисперсное железо, никель, кобальт. Дисперсные частицы, вследствие малости их размеров (около 100 Е), находятся в интенсивном броуновском движении, что обеспечивает седиментационную устойчивость магнитных коллоидов. Для агрегативной устойчивости коллоидных систем с магнитными частицами необходимо, чтобы сближение частиц вызывало появление сил отталкивания между ними. Это достигается путем введения в ферромагнитную жидкость определенного количества стабилизатора – поверхностно-активного вещества (ПАВ). Образованный на поверхности частиц молекулами ПАВ адсорбционный слой создает структурно-механический барьер, препятствующий укрупнению частиц из-за их слипания. Обычно в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных органических молекул, строение которых характеризуется наличием короткой функциональной группы (щелочной, кислотной и др.) и длинной хвостовой цепочки (углеводородной, фторуглеродной и др.). Как правило, в качестве классического стабилизатора для магнитных жидкостей используется олеиновая кислота.

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. Ему требовалось создать механизм, при работе котороготопливо 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 реализации такого механизма управления лучше всего подходила жидкая субстанция. Через несколько недель экспериментов учёный 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.

Глава II. Подготовка опытов с ферромагнитной жидкостью

2.1 Подготовка, изготовление и свойства.

Необходимые материалы и оборудование:

1. Защитные перчатки

2. Защитная маска

3. Стеклянный мерный стакан

4. Тонер для лазерного принтера, содержащий магнитит Fe₃O₄

5. Пластиковый контейнер

6. Сильный неодимовый магнит

7. Машинное масло

Процесс создания

1. При помощи мерного стакана отмерить 50 мл тонера для лазерного принтера, содержащего магнитит Fe₃O₄ и 30 мл машинного масла.

2. Смешить тонер и машинное масло в контейнере до состояния однородности.

3. Проверка на наличие магнитных свойств при помощи неодимового магнита.

Примечание: наличие магнитных свойств зависит от количества магнетита в тонере для лазерного принтера и мощности неодимового магнита.

Свойства

В ходе создания было выявлено, что ферромагнитная жидкость обладает преимуществами жидкого металла: малым коэффициентом трения в контакте с твёрдым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способности смачивать поверхности.

2.2 Проведение опытов с ферромагнитной жидкостью.

Опыт 1: Построение магнитных линий

Магнитные линии постоянных магнитов – это линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора индукции магнитного поля. Магнитные линии не пересекаются, не прерываются и всегда замкнуты.

При изображении магнитных линий обычно используются маленькие кусочки железа, которые намагничиваются и становятся магнитными стрелками, но в данном опыте вместо кусочков железа будет использована ферромагнитная жидкость.

Необходимое оборудование:

1. Ферромагнитная жидкость

2. Пластиковый контейнер

3. Постоянный магнит

Проведение опыта

1. Налить ферромагнитную жидкость в контейнер

2. Поместить магнит под контейнер с ферромагнитной жидкостью

В результате эксперимента можно наблюдать магнитные линии, построенные ферромагнитной жидкостью в виде шипов, по которым можно определить полюса магнита (у полюсов магнита жидкость поднимается перпендикулярно).

Опыт 2: Демонстрация работы электромагнита при помощи ферромагнитной жидкости

Для проведения опыта понадобится:

1. Ферромагнитная жидкость

2. Лист бумаги формата A4

3. Источник тока

4. Медная проволока

5. Железный болт

Проведение опыта

1. Собрать электромагнит

2. Налить ферромагнитную жидкость на лист бумаги

3. Перемещать электромагнит под листом бумаги

Эксперимент оказался неудачным по причине недостаточной мощности электромагнита

Заключение

В ходе выполнения проекта, была достигнута цель - продемонстрировать способы использования ферромагнитной жидкости на уроках физики, доказана гипотеза - демонстрация физических явлений с использованием ферромагнитной жидкости на уроках физики упростит понимание электродинамики, а также выполнены задачи:

1) Изучить теоретический материал по разделу электродинамика.

2) Изготовить ферромагнитную жидкость в домашних условиях.

3) Провести эксперименты и продемонстрировать физические явления с использованием ферромагнитной жидкости.

4) Представить результат в виде описания свойств, фото и видео съёмки.

Ферромагнитная жидкость способна продемонстрировать многие физические явления, что может упростить процесс понимания учащимися раздела физики под названием электродинамика.

Перспектива состоит в том, что при дальнейшем улучшении данного изобретения, расширятся возможности для проведения разнообразных опытов, которые, возможно, будут показаны обучающимся всевозможных образовательных учреждений.

Однако, существует и определённый риск. Для школ получение ферромагнитной жидкости может быть затруднительным, так как её изготовление и доставка занимают много времени и сил.

Источники:

Библиографические ресурсы:

1. Фертман В. Е. учебное пособие «Ферромагнитные жидкости»

Интернет-ресурсы:

1. Статья «Ферромагнитная жидкость» https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость

2. «Волшебная» жидкость Стива Папелла: от проектов NASA к жидкостному охлаждению динамиков https://habr.com/ru/companies/pult/articles/410421/

3. Статья «Электродинамика» https://ru.wikipedia.org/wiki/Электродинамика

4. Статья «Магнитное поле» https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитное_поле

5. Статья «Магнит» https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнит

Приложение