III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЖИДКОСТЬ, ТЕКУЩАЯ ВВЕРХ.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Изучая физику второй год я узнал много о веществах и их свойствах. И однажды я задался вопросом: А может ли жидкость течь вверх? Я отвечу-да может. И для этого нам помогут , например капилярные явления. Но изучив электромагнетизм в 8 классе, я могу добавить-да, может, если эта жидкость –ферромагнитная.
Цель работы: выявить различия в свойствах магнитной жидкости с использованием разных поверхностно-активных веществ.
Объект исследования: магнитная жидкость.
Предмет исследования: свойства магнитной жидкости.
Задачи:
-
изучение теории по данной теме;
-
изучение магнитных свойств полученных магнитных жидкостей;
-
провести эксперимент
Новизна работы.
В данной работе не только рассмотрено понятие магнитной жидкости и способ получения, но и проведены исследования ее свойств.
В результате проведенных исследований получена магнитная жидкость с оптимальными магнитными свойствами.
История создания ферромагнитных жидкостей
Магнитные жидкости были почти одновременно синтезированы в США и Советском Союзе 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 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 (в том числе ароматических углеводородах) и эфирах.
В СССР родоначальником магнитожидкостных технологий был Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году по инициативе профессора Орлова и под его руководством в Ивановском энергетическом институте начались работы по созданию магнитных жидкостей и герметизирующих устройств на их основе.
В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран мира.
История научно-исследовательских работ по магнитным жидкостям
Научно-исследовательские работы по магнитным жидкостям и их применению были начаты в Ивановском энергетическом институте в шестидесятых годах прошлого столетия. С 1965 г. по инициативе профессора Д.В. Орлова и под его руководством на кафедре «Электрические машины и аппараты» начались работы по созданию герметизирующих устройств космических аппаратов.
Для решения данной проблемы профессор Д.В. Орлов предложил использовать жидкий металл – галлий. Организованным им научным коллективом, основную часть которого составляли талантливые выпускники кафедры, аспиранты и студенты, был выполнен комплекс научно-исследовательских работ по созданию индукционных жидкометаллических уплотнений. Данный тип уплотнений был использован для стендовых испытаний подшипниковых узлов колес советских луноходов «Луноход-1» и «Луноход-2». Однако индукционные жидкометаллические уплотнения, обладая высокой герметичностью, не получили широкого распространения вследствие небольшого перепада давлений, удерживаемого ими.
Поиск более эффективного метода решения проблемы привел научную группу Д.В. Орлова в 1970 г. к идее использования вместо жидких металлов магнитных жидкостей. В ИЭИ было создано научное направление «Магнитные жидкости». В рамках этого направления ведущие специалисты научно-исследовательского сектора решали проблемы создания устойчивых магнитных коллоидов с заданными свойствами.
В связи с перспективностью применения новых магнитоуправляемых материалов Совет Министров СССР в 1976 г. выпустил постановление № 409-147 по координации этих работ для космической техники. В 1980 г. по решению Государственного комитета СССР по науке и технике в Ивановском энергетическом институте были открыты Проблемная научно-исследовательская лаборатория прикладной феррогидродинамики и Специальное конструкторско-технологическое бюро «Полюс». Первым научным руководителем, директором – главным конструктором вновь созданных первых в стране специализированных организаций в области наукоемких магнитожидкостных технологий был назначен доктор технических наук, профессор Д.В. Орлов.
Состав магнитной жидкости
Магнитная жидкость - жидкость, притягиваемая магнитом, то есть реагирующая на магнитное поле.
Магнитная жидкость представляет собой коллоидный раствор мельчайших частиц магнитного материала (обычно магнетита Fe3O4 или феррита), то есть устойчивую и неосаждающуюся с течением времени взвесь твёрдых частиц в жидкости. Находясь в магнитном поле, магнитная жидкость приобретает магнитный момент, сравнимый с моментом твердых ферромагнетиков.
Свойства магнитной жидкости
Свойства магнитной жидкости определяются совокупностью характеристик, входящих в нее компонентов (твердой фазы, жидкости-носителя и стабилизатора).
Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Каждая магнитная частица в магнитной жидкости покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому, в отличие от обычных суспензий, частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно и могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет. У магнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная структура из складок. Если приложить к магнитной жидкости магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Чем, сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Любопытно также, что магниты в магнитной жидкости не тонут.
При приложении к магнитной жидкости магнитного поля у неё изменяется вязкость. Вязкость – это внутреннее трение жидкости, препятствующее соседним слоям двигаться с различной скоростью
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Применение ферромагнитных жидкостей
Основным и самым неповторимым свойством всех ферромагнитных жидкостей является сочетание в них высокой текучести с исключительными магнитными свойствами. По этим двум показателям ферромагнитные субстанции в десятки тысяч раз превосходят любую из известных жидкостей. Именно благодаря этим свойствам магнитные суспензии нашли широкое применение в самых различных областях.Например, их используют в электронных устройствах, создавая при их помощи прослойку, надежно защищающую детали от проникновения посторонних частиц. А во многих высокочастотных динамиках ферромагнитные жидкости используются для отвода тепла от звуковой катушки.В машиностроении подобные суспензии применяют для снижения трения между отдельными деталями узла.Магнитные жидкости используют и в аналитических приборах - благодаря их преломляющим свойствам они нашли свою нишу в оптике.Также ведутся эксперименты по применению ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей.
Экспериментальная часть
Получение магнитной жидкости
Заключение
Человеку, далекому от научных открытий, попрощавшемуся с физикой или химией еще в школе, многие вещи кажутся необычными. Пользуясь в повседневности, например, электроприборами, мы не задумываемся о том, как именно они работают, воспринимая блага цивилизации, как должное. Но когда речь заходит о чем-то, выходящем за рамки бытового восприятия, даже взрослые люди изумляются, словно дети, и начинают верить в чудеса.
Чем, кроме магии, можно объяснить явление возникновения из, казалось бы, обычной жидкости объемных фигур, цветов и пирамид, волшебных картин, сменяющих друг друга? А ведь не волшебство, наука дает объяснение происходящему.
Список используемых источников
-
Pespertuum. – http://khd2.narod.ru/index.htm
-
НАУКА - это ЖИЗНЬ! Сборник научно-познавательных статей, заметок и публикаций. - http://nauka.relis.ru/34/0211/34211036.htm
-
Фестиваль NAUKA 0+ Россия. Научно-познавательный портал. – http://www.festivalnauki.ru/statya/14668/magnitnye-zhidkosti
-
Википедия. Свободная энциклопедия. – https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость
-
Познавательный портал о физике.- http://www.its-physics.org/svoystva-zhidkostey-poverhnostnoe-natyazhenie