IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ферромагнитные жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Мы поговорим о ферромагнитных жидкостях. Для начала разберемся, почему эта тема действительно важна и актуальна? В современной жизни появилось такое понятие, как умные материалы (smartmaterials). Магнитореаологические жидкости можно рассмотреть как пример таких материалов. Особенностью смарт-материалов является то, что их физические свойства (в данном случае форму и вязкость) можно контролировать и изменять за счет внешних воздействий (у нас – магнитного поля). Таким образом, магнитные жидкости являются перспективным материалом и находят обширное применение практически во всех сферах и областях техники. Однако несмотря на все ее безграничные возможности и перспективы, многие люди воспринимают ферромагнитные жидкости как интересные игрушки или бесполезный и никому не нужный предмет.
Итак, цель нашей работы: исследовать свойства фмж*, разрушить стереотипы, связанные с ней, и заинтересовать наше поколение в смарт-материале.
Актуальность работы: перспективность и широкий спектр использования материала.
*фмж – аббревиатура: ферромагнитные жидкости
История:
Для того чтобы продолжить наше знакомство с магнитореаологической жидкостью, предлагаю ознакомиться с ее историей. Первые ферромагнитные жидкости были синтезированы а 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 наш смарт-материал. Магнетитовая пудра и жидкая основа (керосин и олеиновая кислота) смешивались на протяжении 1000 часов (примерно 41 сутки 16 часов).
Каждый раз в данную жидкость Стивен доливал не более 0,2 кг/л магнетита, что создавало благоприятные условия для получения мономолекулярного защитного слоя на каждой частице, средний размер которой в конечном продукте составлял около 10 нм [1].
При создании жидкости сотрудник NASA пытался решить давно волнующую многих проблему. Необходимо было в полной невесомости заставить ракетное топливо пройти к нужному отверстию, от которого затем оно попадет в камеру сгорания. Так и родилась идея о создании фмж.
В советском же союзе родоначальником магнитных жидкостей стал Орлов Дмитрий Васильевич. В ивановском энергетическом институте в 1965 году началось их создание под его чутким руководством. Инженеры сразу же отметили перспективность материала.
Уже в 1976 году Советом Министров СССР было принято решение, координировать работы Орлова для космических конструкций, а через 4 года (в 1980 году) в Ивановском Энергетическом Институте была открыта первая научно-исследовательская лаборатория прикладной ферро гидродинамики и Специальное конструкторско-технологическое бюро «Полюс» [1].
На данный момент над нашим смарт-материалом работает весь мир. Его до сих пор совершенствуют, изучают.
Описание:
Официальное определение материала звучит так: Ферромагнитные жидкости (ФМЖ, магнитореалогические жидкости, ну или просто магнитные жидкости) - это жидкости, сильно поляризующиеся в присутствии магнитного поля. Они устойчивы: их твердые частицы не выделяются в отдельную фазу и не слипаются даже при очень сильном магнитном поле. Однако поверхностно-активные вещества (или просто ПАВ) со временем имеют свойство распадаться. Время это варьирует, чаще всего от 2 до 5 лет. Свои магнитные свойства фмж также теряют при температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости. Однако мы можем назвать точное значение точки Кюри для магнетита: 580 °С, соответственно для ферромагнитных жидкостей, в зависимости от материалов температура может быть не меньше заданной.
Температура Кюри (или точка Кюри) - температура, при которой ферромагнитные материалы теряют постоянное магнитное поле. При этом магнетизм полностью исчезает. Невозможно указать единую температуру Кюри, т.к. она зависит от материала и его качества (чем больше количество примесей в нем, тем более загрязненным он считается) [2].
Определение ферро жидкостям также дает химия: Феррожидкости (магнитные жидкости) — это техническое название концентрированных устойчивых коллоидных растворов ферромагнитных материалов [3].
Коллойдами в свою очередь называют системы, промежуточными между исходными растворами и суспензиями, в которых капли или пузырьки, т.е. дискретные частицы, размером от 1 до 1000нм, распределены в дисперсионной среде, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию. А дисперсионная среда – образование двух и более числа тел, которые не реагируют друг на друга химически и не смешиваются.
Химики до сих пор рассматривают и изучают феррожидкости, однако не рассматривают их в применении, полностью поручив это физикам.
Благодаря немногочисленным, однако полезным свойствам мегнитореальгических жидкостей, фмж имеет широкое применение, однако об этом немного позже.
Искусство и феррожидкости:
Несмотря на популярность и широкое применение, ученые до сих пор удивляются этому по истине удивительному материалу. Поместив его в магнитное поле, он превращается во вполне твердое вещество, часто создавая красивые фигуры и узоры. Это не могли не заметить и люди искусства. Они стали создавать инсталляции с помощью магнитных жидкостей.
Первым человеком, который увидел в фмж не только смарт-материал, но и предмет искусства, стал Рональд Розенцвейг, который в шестидесятых годах прошлого столетия отметил свое наблюдение в своей научной статье «Феррогидродинамика».
Одним из самых ярких примеров искусства феррожидкостей является инсталляция японской художницы, а также ученного-физика Сачико Кодама. Начиная с 2000 года эта девушка начинает работать над серией работ, главным объектом которых являются ферромагнитные жидкости.
Как говорит сама Сачико: “Меня вдохновляет сама жизнь, сама природа. Органические формы, геометрия, симметрия в растениях и животных, равно как и их движение, дыхание - очень вдохновляющие факторы, когда речь идет об интерактивном искусстве – ведь тут все происходит прямо у вас на глазах,” [4].
В 2000 году Кодама выставляет свою первую работу под названием «Выпячивающуюся тень». Однако на ней она не останавливается уже в 2006 году выходит следующая масштабная работа «Морфобашня». Сачико выставляет на публику 3-минутный видеоролик, где и показана работа, которую создавали в течение 6 лет. Совсем недавно, в 2016 году, девушка решила создать свою выставку в галерее Сэйкадо, которая находится в Киото, Япония. Каждый желающий мог вживую увидеть чудеса феррожидкостей. Многие посетители признавались, что через экраны смартфонов или компьютеров невозможно достойно оценить всю тонкость и изящество этого искусства. В сети мнение тоже разделяется: кто-то считает такой эксперимент неудачным и скучным, однако большинство зрителей восхищаются работой Кодама и пересматривают вновь и вновь эти антистрессовые видеоролики. На данный момент, самым «свежим» из них является видео Сачико 2017 года.
[видеоматериалы будут представлены в источниках]
Популярность и опрос учеников:
О заинтересованности ученных и художников в фмж мы уже узнали. Но многие ли из людей, не связных с ней по профессии знают о пользе, применении, да и просто о самой магнитной жидкости. Для того, чтобы это выяснить, я решила провести опрос среди учеников Бендерского теоретического лицея. В опросе участвовали учеников 9-11 классов. В лист-опросник я включила несколько основных вопросов, а именно:
1.Знаете ли Вы о понятии магнитной жидкости?
2.Приходилось ли Вам видеть (создавать) магнитную жидкость?
3.Считаете ли вы ее значимой в сфере техники (в науке)?
4. Как Вы думаете, является ли перспективным дальнейшее изучение магнитной жидкости? (Для поступления в ВУЗы, на специальные факультеты и т.п.)
5.Хотели бы Вы узнать подробнее о магнитной жидкости на уроках физики/химии, проводить с ней эксперименты?
Каждому участнику предлагались общие ответы на представленные выше вопросы, а именно: «да», «сомневаюсь» и «нет». Всего мы проверили 228 работ (часть учеников отсутствовали в школе). Результаты опроса оказались следующими: 64% учеников знают о ферромагнитных жидкостях, 36%-не знают. Лишь 1% учеников видели (создавали) фмж, 99%-нет. 46% лицеистов уверено сказали, что магнитные жидкости значимы в науке, 22% сомневались в своих ответах, а оставшиеся 32%-ответили отрицательно на третий вопрос. На следующий вопрос ответили так: 69%-да, 3-сомневаюсь, 28-нет. Ну и наконец на один из важнейших вопросов учащиеся лицея ответили почти единогласно: 97% желают узнать подробнее о фмж на уроках физики/химии, а оставшиеся 3% отказались от лишней нагрузки.
Действительно ли ученикам нужно знать про чудеса смарт-материалов, в частности, ферромагнитной жидкости? Для того чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим перспективы их изучения, а также их важность и актуальность в современном мире.
Применение:
Уже в наше время феррожидкости широко применяются во многих используемых или по крайней мере известных всем предметах. Рассмотрим их применение подробнее:
1.Компьютерная техника: фмж используют во многих динамиках, для получения более высоких частот, а именно для отвода тепла от звуковых катушек, а также для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках.
2.Машиностроение: фмж способна снижать трения. Это отметила и всемирно известная компания Ferrari, которая и сегодня использует смарт-материал в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески.
3.Оборонная промышленность: ВВС США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.
4.Медицина: совсем недавно ученные стали проводить множество экспериментов по использованию фмж для диагностики и даже удаления опухолей. Ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль. Однако эксперименты пока еще не дали реальных результатов, но по прогнозам ученных совсем скоро это изменится [5].
5.Авиакосмическая промышленности: мы уже знакомы с колыбелью феррожидкости, поэтому одно из применений ее в авиакосмической промышленности мы знаем, однако на этом NASA решили не останавливаться и сейчас проводят эксперименты по использованию умной жидкости в качестве стабилизации космического корабля в пространстве.
6.Генераторы: источником упругих колебаний, источником которой является Замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может быть использована для генерации ультразвука.
7.Горнорудная промышленность: для шлифовки, очистки от шлифа мелкого золота, также используется фмж.
И все это-лишь самые часто используемые и всем известные сферы, где применяют магнитореаологические жидкости. От применения можно и выяснить, что более подробное изучение фмж может пригодится в таких профессиях как: программисты, инженеры, строители, ученые, врачи, космонавты и авиаработники, IT-специализации и многие другие. Прежде всего в этом нуждаются профессии будущего, которые явно будут актуальными в нашем, в моем поколении. Это тоже крайне важно отметить, ведь профессиональный выбор сейчас-крайне сложная тема. Одни профессии уже стали неактуальными, многие исчезают из-за пребывания новых технологий. Ферромагнитные жидкости, в нашем случае и есть будущее. Еще не до конца раскрытое, и все же крайне перспективное.
Наглядный эксперимент:
Предлагаем каждому провести небольшой наглядный эксперимент, где можно попробовать создать что-то на подобии фмж. Конечно же нашу магнитную жидкость нельзя будет использовать в авиапромышленности или для создания жестких дисков, однако всегда интересно за ней понаблюдать, поэкспериментировать.
Прежде чем успешно провести опыт, мы не раз наталкивались на неудачи. В интернет-источниках можно найти множество рецептов, однако многие из них оказывались ложными.
Но после многих попыток мы выяснили, что в обычных условиях, не обладая специальным оборудованием, подобие феррожидкости можно выполнить методом смешивания двух ингредиентов: растительного масла и металлической стружки. Одни скажут, что в этом нет ничего замысловатого, и стружка в любом случае потянется к магниту. Однако заметим, что растительное масло тянется вслед за магнитами, а это уже есть жидкость. Такая фмж может даже перемещать небольшие предметы. Такие как кусочки бумаги или даже небольшие мелки. Для красоты можно подкрасить масло с помощью пищевых красителей, чернил или краски и поместить в красивую емкость.
Заключение:
Итак, мы исследовали фмж, узнали подробнее о значимости и некоторых свойствах смарт материала, а также о применении феррожидкости. Думаю, после работы ни у кого не осталось сомнений, что об этом действительно важно и нужно говорить, ведь это и есть будущее. Поэтому, мы предлагаем провести по школам учебный час по физике/химии, на котором ученикам представится возможность узнать о магнитной жидкости, ее свойствах, провести наглядный эксперимент. Ведь магнитная жидкость-удивительный материал, созданный руками человека. Это предмет искусства и важнейшая часть привычных нам предметов. За этом стоит наше будущее. Человеку всегда интересно поведать, что его ждет через какое-либо время. Учеников сейчас прежде всего волнует, какие профессии будут актуальны, на кого пойти учиться. Наука часто отталкивает детей из-за своей сложности и неприступности. Смарт-материалы могут помочь привлечь их внимание, и возможно уже в скором времени проблема неактуальности феррожидкости у подрастающего поколения исчезнет.
Спасибо за внимание!
Список литературы:
Интернет-источники:
https://магнитная-жидкость.рф/история/
https://www.goudsmitmagnets.com/ru/wiki/303/температура-кюри
http://chem21.info/info/761027/
https://kulturologia.ru/blogs/220310/12218/
https://ru.wikipedia.org/wiki/ферромагнитная_жидкость
Видео-материалы:
https://www.youtube.com/watch?v=dIJP-ndwmqo
https://www.youtube.com/watch?v=7GNCjawnWLk