XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Волшебная жидкость

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Кайгородов П.А. 1

---

1МОУ СОШ №1 г.Копейска Челябинской области

Заидова М.А. 1

---

1МОУ СОШ №1 г.Копейска Челябинской области

Работа в формате PDF

1.8 MB

Введение

Однажды по телевизору я увидел действующие электронные часы, которые работали на основе ферромагнитной жидкости. Меня очень заинтересовал вопрос: «А что эта за жидкость, какие ещё возможны применения для подобных жидкостей?». Ведь это очень интересно — возможность управлять жидкостью с помощью магнитного поля. Эта удивительная жидкость, с одной стороны, обладает текучестью, а с другой, способны взаимодействовать с магнитным полем и резко повышать свою вязкость (вплоть до полного затвердевания), легко меняя форму и принимая самые причудливые очертания. “Волшебная ” жидкость активно реагирует на изменения окружающей среды и изменяет свои свойства в зависимости от обстоятельств. Главное, ею можно управлять, заранее программировать её поведение.

Таким образом, обладая необычными свойствами, ферромагнитная жидкость очень интересна для изучения и перспективна с точки зрения практической науки.

Цель работы: получить ферромагнитную жидкость и изучить её свойства.

Задачи:

1. Изучить литературу по выбранной теме.

2. Познакомиться с областью применения ферромагнитной жидкости.

3. Изучить способы получения ферромагнитной жидкость

4. Исследовать свойства магнитной жидкости

Предмет исследования: ферромагнитная жидкость

Объект исследования: свойства ферромагнитной жидкости

Гипотеза: если самому изготовить ферромагнитную жидкость, то можно убедиться в её необычных свойствах.

Методы исследования: изучение теоретических источников, практический эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ, систематизация и обобщение.

Актуальность.

Технологии получения магнитных жидкостей и применения их в различных областях современной науки и техники, биологии и медицины являются, безусловно, актуальными. Спрос ученых и экспериментаторов к магнитным жидкостям постоянно растёт, ими активно интересуются физики - механики. Так же они представляют большой интерес и для специалистов в химии, биологии и медицине, как за рубежом, так и в нашей стране. Перспективы применения магнитной жидкости неисчерпаемы.

Практическая значимость: заключается в том, что феромагнитную жидкость можно использовать для проведения опытов на уроках и факультативных занятиях по химии и физики, что значительно повысит познавательный интерес к изучению предметов.

Основная часть.

Глава I

1.1 История открытия ферромагнитной жидкости

Первые ферромагнитные жидкости были синтезированы в Америке и Советском Союзе примерно в одно и тоже время: середина 60-х годов двадцатого века.

В 1963-1965 гг. американец Соломон Стивен Пайпел впервые получил магнитную жидкость. Магнетитовая пудра и жидкая основа (керосин и олеиновая кислота) смешивались на протяжении примерно 41 суток. Каждый раз в данную жидкость Стивен доливал магнетита. Средний размер частиц в конечном продукте составлял около 10 нм.

При разработке Пайпелом новой жидкости была поставлена цель решить проблему, которая давно беспокоила многих. Он стремился обеспечить прохождение ракетного топлива к нужному отверстию в условиях полной невесомости, чтобы оно затем попало в камеру сгорания. Именно так возникла идея создания ферромагнитной жидкости.

Орлов Дмитрий Васильевич стал основателем магнитных жидкостей в Советском Союзе. В 1965 году в Ивановском энергетическом институте под его руководством началось их разработка. Инженеры немедленно обнаружили перспективность этого материала.

В 1976 году было решено скоординировать работы Орлова для разработки космических конструкций, а спустя 4 года в Ивановском Энергетическом Институте была открыта первая научно-исследовательская лаборатория, занимающаяся прикладной ферро гидродинамикой, а также специальное конструкторско-технологическое бюро "Полюс".

1.2 Состав и свойства ферромагнитной жидкости

Ферромагнитная жидкость представляет собой коллоидную систему, которая содержит 3 компонента:

1. Материалы с магнитными свойствами, такие как железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co), были размельчены до размеров частиц 8-10 нанометров.

2. Основной составляющей будет базовая жидкость, в которой мельчайшие частицы магнетита будут равномерно распределены.

В качестве компонентов используются вода, керосин, полиэфир и вазелиновое масло.

3. Соединения, которые помогают увеличить устойчивость - ПАВ (например, олеиновая кислота, полиакриловая кислота, лимонная кислота и другие).)

Магнитные жидкости (МЖ) - это уникальный материал, созданный искусственно, который обладает свойствами жидкости, управляемыми магнитом. У него есть широкий спектр применений в различных областях, таких как техника, медицина и экология. МЖ имеет все преимущества жидкого материала - низкий коэффициент трения при контакте с твердыми поверхностями, возможность проникать в микрообъемы, способность смачивать практически любые поверхности и другие. Одновременно с этим, магнитное поле позволяет управлять положением МЖ в устройстве. В настоящее время для МЖ найдено множество полезных применений: уплотнение валов и поршней, "вечная" смазка, сбор нефти, разлитой на воде, обогащение полезных ископаемых, лечение и диагностика различных заболеваний.

1.3 Применение магнитных жидкостей

1.3.1 Техника

Одной из сфер применения магнитных жидкостей является их использование в качестве магнитных смазок. Какие преимущества магнитных жидкостей по сравнению с обычными смазками? Масло, основанное на магнитных жидкостях, снижает трение на 20% более эффективно, чем обычное масло. Трение минимально благодаря маслу, которое является основой магнитных жидкостей, и размеру твердых частиц в них, который на несколько порядков меньше шероховатостей идеально отполированных деталей. Дополнительное преимущество использования магнитных жидкостей в качестве смазок заключается в том, что они не вытекают из агрегата, так как удерживаются магнитным полем. Кроме того, магнитные жидкости предотвращают попадание немагнитных частиц, например, в подшипники (под воздействием магнитного поля они выталкивают немагнитные материалы).

1.3.2 Экология

Возможность использования магнитных жидкостей для очистки сточных вод от нефтепродуктов представляет большой интерес для исследователей. Основная идея процесса заключается в добавлении магнитной жидкости в сточные воды, что приводит к омагничиванию нефтепродуктов, а затем специальные магнитные системы позволяют отделить омагниченные нефтепродукты. Магнитные жидкости также могут быть использованы для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов и озер.

Иногда возникают ситуации, когда человек бессилен в предотвращении загрязнения водной поверхности нефтепродуктами. Например, при аварии нефтяного танкера, когда огромное пятно нефти распространяется на многие квадратные километры морской поверхности, заражая все вокруг себя.

Очистка воды от таких загрязнений является сложной и продолжительной задачей, которая не всегда может быть выполнена. Однако, магнитная жидкость является полезным помощником в этом процессе. Для начала, небольшое количество магнитной жидкости разбрызгивается на разлившееся пятно с вертолета. Она быстро растворяется в нефтяном пятне, а затем сильные магниты погружаются в воду, что приводит к стягиванию пятна в одну точку. В этом месте пятно откачивается с помощью насосов, и вода снова становится чистой.

1.3.3 Медицина

К примеру, использует магнитную жидкость и магнитоуправляемые частицы магнетита, которые помогают сосредоточить противоопухолевые препараты и ферменты в опухолевом участке, минимизируя вред для здоровых клеток и организма в целом. механизм действия заключается в том, что при воздействии переменного магнитного поля происходит нагрев частиц магнетита, что препятствует развитию раковых клеток.

Также, магнитную жидкость можно использовать вместо сульфата бария как контрастное средство при рентгеноскопии для диагностики полых органов желудочно-кишечного тракта. Это связано с активным поглощением рентгеновских лучей коллоидными ферритовыми частицами, содержащимися в магнитных жидкостях. Использование магнитных жидкостей значительно упрощает процедуры диагностики.

В медицинской практике магнитные жидкости могут быть полезными. Путем размещения постоянного магнита на месте предстоящего разреза, хирург может достичь блокировки потока крови после проведения операции, используя введенную шприцем магнитную жидкость в кровеносные сосуды.

1.3.4 Компьютерные технологии

Эти жидкости, которые могут быть контролируемыми магнитами, окружают вращающиеся оси жёстких дисков. Благодаря этой жидкости создается преграда, которая предотвращает проникновение частиц извне внутрь диска.

Компания "Sony" была первой, кто применил магнитную жидкость в акустических динамиках, что позволило повысить уровень громкости и достичь более чистого звучания. Замена твёрдой шайбы жидкостью позволяет исключить дополнительные искажения звука.

1.3.5 Искусство

Знаменитый швейцарский изобретатель и художник Фабиан Оэфнер применяет необычный метод для создания своих фотографий. Он соединяет ферромагнитную жидкость с акварелью и располагает их в магнитном поле. Таким образом, у него получается уникальные и завораживающие изображения.Частицы железа, находящиеся в смеси, ориентируются под воздействием магнитного поляих формы образовались в необычные контуры, которые были представлены.на фотографиях.

Интерактивная выставка, разработанная японской художницей Сачико Кодама, использует ферромагнитную жидкость в качестве материала. Сочетая науку и искусство, она придаёт жизнь этой жидкости, заставляя её разбрызгиваться, соединяться, ощетиниться или вырастать в башенку – все это происходит прямо на глазах зрителей.

Вывод к главе I: Магнитные жидкости имеют широкий спектр применения, однако они не являются популярными материалами. Обычно магнитные жидкости производятся небольшими объемами и применяются в высокотехнологичных устройствах и приборах.

Как и в России, начали создавать различные устройства и технологии на основе МЖ, но американские ученые были более успешны в коммерциализации своих разработок. Это привело к тому, что в США было запущено больше проектов и предприятий, связанных с МЖ, и они стали более популярными среди широкой общественности. В то же время, в России прогресс в этой области был ограничен и научные разработки оставались в основном на уровне исследований и экспериментов. Однако, в последние годы, Россия начала активно вкладывать средства и ресурсы в развитие МЖ технологий, и сейчас стремится догнать западные страны в этой области. к примеру, существует специализированная организация, которая занимается производством жидкостей на основе магнитов и различных устройств, использующих их.

Фундаментальные достижения ученых из Перми и Екатеринбурга были одобрены и признаны исследователями из-за рубежа. Это подтверждают близкие связи с экспертами ведущих международных центров по изучению магнитных жидкостей, а также совместные исследования и публикации [5].

Глава II

2.1 Получение магнитной жидкости

В нашем исследовании мы рассматривали более простые методы получения магнитных жидкостей, так как доступ к сложному техническому оборудованию, требующему больших затрат, был ограничен. Вместо этого мы использовали простые способы, которые не требовали дорогостоящего оборудования, таких как размельчение железа, никеля и кобальта до мельчайших частиц микрона с помощью мельниц, дугового разряда и других доступных средств.

Первый метод является наиболее простым, однако, как мы определили, не является наиболее успешным.

Мы использовали:

1. Тонер. Желательно, чтобы в составе тонера для лазерного принтера было как можно мельче частиц материала с магнитными свойствами.

2. Масло, а именно машинное масло.

После смешивания тонера (BROTHER и CONTENT) мы добавили машинное масло для придания густоты и консистенции. Тщательно перемешивая ингредиенты, мы достигли состояния, похожего на сметану.

У нас не получилось ничего с первым, однако мы заметили небольшое влияние магнита на жидкость со вторым (см. приложение № 1, 2).)

В связи с этим, мы решили применить альтернативный подход для получения магнитной жидкости.

Существуют два основных способа получения коллоидных систем МЖ: методы, основанные на диспергировании, и методы, основанные на 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 получения магнитной жидкости в школьной 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; 10%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода, олеиновая кислота, керосин, этиловый спирт (приложение №3)

Процесс получения ферромагнитной жидкости

1. Налили в банку 300 мл горячей воды (примерно 70-80 градусов)

2. Добавили 4 мл 9% уксуса, размешали

3. Добавили 10 г хлорного железа и 5 г сернокислого железа, тщательно все размешали (приложение №4)

4. При интенсивном перемешивании быстро добавили 100 мл нашатырного спирта (в вытяжном шкафу), ждали несколько минут для окончания реакции и роста частиц (приложение №5)

5. Далее поставили на магнит, слили отделившуюся воду

6. Промывали осадок примерно 5 раз (приложение №6, 7)

7. Затем в отдельную ёмкость налили 20 мл нашатырного спирта и добавили 1 мл олеиновой кислоты при интенсивном помешивании

8. Соединили с чёрным осадком, долили воды и перемешивали в течение нескольких минут

9. При интенсивном перемешивании тонкой струйкой добавить 20 мл уксуса,

выпал объёмный осадок в виде хлопьев

10. Поставили на магнит, пару раз промыли водой и затем спиртом, каждый раз отжимая осадок на магните

11. Затем сушили, время от времени помешивая (приложение №8)

12. Добавили примерно 5-8 мл керосина.

Чтобы сохранить магнитную жидкость, мы приготовили насыщенный раствор соли и поместили ее туда

2.2 Изучение свойств магнитной жидкости

Опыт № 1. Взаимодействие магнитной жидкости с магнитом

Поместили магнитную жидкость в чашку Петри и подносили магнит с разных сторон (приложение №9)

Вывод. Магнитная жидкость взаимодействует с магнитным полем: когда подносили магнит сбоку, то жидкость ползла на стенку; если подносили снизу – получался «ежик».

Опыт № 2. Изготовление «магнитной» бумаги

Фильтровальную бумагу пропитали магнитной жидкостью и высушили. Поднесли магнит к фильтровальной бумаге (приложение 11)

Вывод. Частицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей слабые магнитные свойства – бумага непосредственно притягивается к магниту и удерживается на нем.

Опыт № 3. Эффект Тиндаля

Взболтали емкость с магнитной жидкостью. Пропустили через стакан с дистиллированной водой и через емкость с полученным раствором луч света от лазерной указки. Лазерный луч проходит через воду, не оставляя следа, а в растворе магнитной жидкости оставляет светящуюся дорожку.

Вывод. Эффект Тиндаля – оптический эффект, рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса, видимого на темном фоне.

Вывод к главе II: имея доступные реактивы мы смогли в условиях школьной лаборатории получить магнитную жидкость и познакомиться с некоторыми ее свойствами. 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.

Заключение

В нашей школьной лаборатории мы смогли получить ферромагнитную жидкость, которая реагирует на магнитное поле и изучили её свойства. Полученная магнитная жидкость стабильна и образует явно выраженные шипы. Результаты моего исследования подтвердили гипотезу.

Ферромагнитные жидкости представляют собой уникальные материалы с широким спектром потенциальных применений. Их свойства делают их ценными для различных областей науки и техники, от медицины до промышленности. С развитием технологий и новых методов синтеза, можно ожидать дальнейшего расширения спектра применений ферромагнитных жидкостей в будущем. Думаем, что магнитные жидкости улучшат жизнь людей, помогут человеку более продуктивно работать с техникой и совершать новые открытия!

Список литературы

1. Брук Э.Т., Фертман В.Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. - Минск, Вышейшая школа, 1983.

2.Контарев А.В., Стадник С.В., Лешуков В.А. Применение магнитных жидкостей // Успехи современного естествознания. – 2006. – № 10 – с. 67

3.Новопашин С.А, Серебрякова М.А, Хмель С.Я. Методы синтеза магнитных жидкостей.- Теплофизика и аэромеханика, том 22, № 4.- 2015,17с.

4.Сенатская И.И., Байбуртский Ф.С. Жидкость, которая твердеет в магнитном поле// Химия и жизнь. – 2002. – №10.

5. Такетоми, С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости (1993)

6.Понизовкина Е. Магнитные материалы. Электронный ресурс// http://www.uran.ru/gazetanu/2004/03/nu07/wvmnu_p3_07_032004.htm

Приложение

№1 Тонер BROTHER и машинное масло

№2 Тонер CONTENT и машинное масло

№ 3 Используемые вещества

№ 4 В горячей воде растворили соли железа

№ 5 Добавляем раствор нашатырного спирта

№ 6 Промываем осадок

№ 7 Тщательно перемешиваем и отстаиваем на магните

№8 Просушили

№ 9 Взаимодействие магнитной жидкости с магнитом

№10 Эффект Тиндаля

№ 11 Притягивание бумаги, пропитанной магнитной жидкостью