Тема:Ферромагнитная жидкость

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №3»
Нанотехнологии
Исследовательская работа
Тема:Ферромагнитная жидкость
Автор работы:
Пинчук Владислав Константинович 9А класс
Руководители:
Волобуева Татьяна Эдуардовна,
учитель химии
Птухина Людмила Алексеевна,
учитель физики
г.Комсомольск-на-Амуре
2015 год
Содержание
Введение
3-4
Основная часть
Нанотехнология, объекты нанотехнологии
5
Группы металлов по отношению к магнитному полю
6
Что такое ферромагнитная жидкость
7
Природа ферромагнетизма
8-9
Способы получения ФМЖ
10-11
Экспериментальная часть
12-13
Заключение
Социологический опрос учащихся
14
Области применение ФМЖ
15
Выводы
15
Список литературы
16
Приложение
17
2
Введение
Сможем ли мы победить рак и создать вечный двигатель? При помощи
нанотехнологий мы можем исполнить все свои желания. Нанотехнологии – это
исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном
уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и
использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу
своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и
функциями; манипулирование веществом на атомной шкале расстояний.
Примером наноматериала является феррамагнитная жидкость.Многие
люди считают их экзотическими и дорогими продуктами нанотехнологии.
Своей работой я хочу доказать: все гениальное – просто, т.е. приготовить ФМЖ
–в условиях школьной лаборатории. Познакомить своих одноклассников с
новой отраслью знаний – нанотехнологией и оценить свои склонности и
интерес к данной области.
Цель -приготовить ФМЖ в условиях школьной лаборатории и изучить
ее свойства и области применения
Объект исследования–ферромагнитная жидкость на основе органического
растворителя;
Предмет исследования – свойства магнитной жидкости в однородном
магнитном поле;
Гипотеза – ферромагнитная жидкость может менять форму в присутствии
магнитного поля.
Задачи:
1)
провести
анализ
научной
литературы
и
интернет-ресурсов
онанотехнологиях ,и наноматериалах (феррамагнитная жидкость);
2)получение
ферромагнитной
жидкости
в
условиях
школьной
лаборатории, рассмотрение ее свойств;
3) выявление проводимости магнитной жидкости под влиянием внешнего
магнитного поля;
3
4) провести опрос среди учащихся 9-11 классах с целью выявления их
знаний о ФМЖ и области применения;
5) сделать оценку результатов практической деятельности.
6) познакомить учащихся с применением основных достижений
нанотехнологий.
4
Нанотехнология, объекты нанотехнологии
Начало XXI века проходит под знаком нанотехнологий, которые
объединяют биологию, химию, физику.
В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть
от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров.
Созданные на их основе вещества и объекты размером 1 – 100 нм называют
наноматериалами,
а
способы
их
производства
и
применения
–
нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет,
диаметром примерно 10 тыс. нанометров.
Знаменитая лекция Фейнмана1, известная под названием "Там, внизу, ещё
много места" считается сегодня стартовой точкой в борьбе за покорение
наномира. Она была впервые прочитана в Калифорнийском технологическом
институте в1959 году. Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире
очень малых размеров». Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут
иметь характеристические размеры указанного диапазона:
 наночастицы,
нанопорошки
(объекты,
у
которых
три
характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
 нанотрубки,
нановолокна
(объекты,
у
которых
два
характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
 наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер
находится в диапазоне до 100 нм).
С
другой
стороны,
объектами
нанотехнологий
могут
быть
макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо
создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов. Однако, нанотехнология
сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия,
предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые
исследования
уже
дают
практические
результаты.
Использование
в
нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к
высоким технологиям.
1
Ричард ФиллипсФейман (1918-1988) выдающийся американский физик. Один из создателей квантовой
электродинамики.Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года.
5
Группы металлов по отношению к магнитному полю
По отношению к магнитному полю все металлы делятся на три группы
диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. К диамагнитным веществам
(обладающим отрицательной восприимчивостью к магнитному полю и
оказывающим сопротивление силовым его линиям) относятся элементыI
группы (Cu, Ag, Au), II группы (Ве, Zn, Сd, Hg), III группы (Ga, In, Tl),IV
группы
(Gе,
Sn,
периодической
Pb)
системы.
Металлы
щелочных,
щелочноземельных элементов, а также большинства -элементов хорошо
проводят силовые линии магнитного поля, обладают положительной магнитной
восприимчивостью.
Они
являются
парамагнитными
веществами
и
намагничиваются параллельно силовым линиям внешнего магнитного поля.
Очень высокой магнитной восприимчивостью обладают Fе, Со, Ni, Ос, Вi. Они
являются ферромагнетиками.
Ферромагнетики
ферромагнитные
характеризуются
свойства
металла
температурой,
переходят
в
выше
которой
парамагнитные.
Эта
температура называется температурой Кюри. Для железа, кобальта и никеля эта
температура составляет 768, 1075 и 362 °С, соответственно.
6
Ферромагнитная жидкость – что это?
ФМЖ – коллоидный раствор твердых ферромагнетиков, состоящий из
ферромагнитных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в несущей
жидкости.
ФМЖ – жидкость, состоящая из частиц нанометровых размеров(10 нм
или меньше) магнетита (Fe3O4), гематита или другого материала, содержащего
железо.
Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы
связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим
защитную оболочку вокруг частиц и препятствующим их слипанию из-за
магнитных сил.
Ферромагнитные жидкости обладают свойствами более чем одного
состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и
жидкость, в которой он содержится .Ферромагнитные жидкости устойчивы: их
твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень
сильном магнитном поле.
7
Природа ферромагнетизма
Ферромагнетизм
характерен
для
атомов
тех
элементов,
в
которыхимеются внутренние незаполненные слои и отношение диаметра атома
в кристаллической решетке к диаметру незаполненного слоя (см. Приложение
1) больше 1,5 (интеграл обмена положителен).
Условие,
определяющее,
антиферромагнетиком,
связано
будет
с
тем,
ли
что
металл
ферро-
или
электрону
выгодно
быть
делокализованным, так как согласно принципу неопределённостей Гейзенберга,
это позволяет уменьшить его кинетическую энергию. Для электронов должно
соблюдаться правило Хунда (суммарный спин электронов на орбитали должен
быть максимальным). Тогда для зоны, к примеру, заполненной меньше, чем
наполовину, электроны двух соседних атомов могут иметь одинаковое
направление спина, но разные магнитные квантовые числа, что и определяет
ферромагнитное упорядочивание. В случае наполовину заполненной зоны, 3dэлектроны соседних атомов вынуждены иметь противоположное направление
суммарного спина для того, чтобы поделить между собой одинаковые
магнитные числа.
В атоме железа целиком заполненыпервый и второй слои с одинаковым
количеством + и – спинов в каждом. Что же касается третьего слоя, то в нем
целиком, с одинаковым числом + и – спинов, заполнены подслои 3s и Зр, а
подслой 3d не заполнен и содержит 5 положительных спинов и 1
отрицательный. Поэтому атом железа обладает ферромагнитными свойствами.
Электронная формула атома железа:1s22 s2 2p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d6
8
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.
Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются,
в частности, следующие ПАВ: олейновая кислота, тетраметиловыйгидрооксид
аммония, 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. Молекулы ПАВ имеют полярную
«головку»
и
неполярный
«хвост»
(или
наоборот);
один
из
концов
адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкостиносителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицелу 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.
9
Способы получения магнитных жидкостей
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, химических реакций.Для изготовления
ферромагнитной жидкости понадобится химические реактивы: хлорные соли
двух- и трёхвалентного железа, аммиачная вода 25%-ной концентрации
(нашатырный
спирт),
средство
для
мытья
посуды
Fairy,
как
ПАВ,
дистиллированная вода.
Ход работы: в 500 мл дистиллированной воды, при несильном
помешивании и подогреве,растворить 24 грамма хлорида железа (III) и 12
граммов сульфата железа (II)
1.Идет реакция взаимодействие хлорида железа (III) с водой
FeCl3 + HOH – FeOHCl2 + HCl (I стадия)
2.Взаимодействие хлорида железа (II) с водой
FeCl3 + 3HOH – Fe(OH)3 + 3HCl (II стадия)
3.Взаимодействие сульфата железа (II) c водой
Fe SO4 + HOH – FeOH+ + HSO4Полученный раствор отфильтровать на воронке в другую колбу через
фильтровальную бумагу, для отделения механических примесей.
Гидроксид железа(ІІ) окисляется в присутствии воздуха до гидроксида железа
(III)Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3
В колбу, предварительно промыв её водой, залить120 мл аммиачной воды.
Очень осторожно, тонкой струёй, влитьотфильтрованный раствор в колбу,
содержащую аммиачную воду, при этом интенсивно взбалтывать. И мгновенно
коричневато-оранжевый раствор превратится в суспензию чёрного цвета. В
колбу долить немного дистиллированной воды и поставить на постоянный
магнит на полчаса.
Реакция взаимодействия гидроксида железа(III) c раствором аммиака:
Fe(OH)3+ NH 4OH → NH 4[Fe(OH) 4]
10
После того, как образовавшиеся частицы магнетита под действием сил
магнитного поля выпадают на дно колбы налить в колбу дистиллированную
воду. Опять поставить на магнит. Операцию повторять до тех пор, пока pH
раствора не достигнет 7,5–8,5. Полученный осадок чёрного цвета смешать с
7,5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты. Ферромагнитная жидкость
готова! Можно получить ФМЖ
не используя реактивы
Качество её
существенно хуже, чем у полученной химическим путём. В частности,
консистенция продукта получается такой, что его скорее можно назвать не
«жидкостью», а «жижей». Кстати, когда магнитными жидкостями впервые
заинтересовались в середине XX века, то их самые первые образцы как раз и
были получены примерно таким путём.Для того чтобы сделать такую
«магнитную жижу», требуется всего лишь набрать необходимое количество
мелких стальных опилок. Затем для отсева грязи и крупных фракций
собранноепросеять через ткань. Отобранная стальная пыль заливается
машинным маслом, хорошо смачивающей металл. Концентрация стальной
пыли в жидкости должна быть, с одной стороны, не слишком высокой, чтобы
жидкость не стала чересчур густой и вязкой, а с другой стороны, не слишком
низкой. Подвижность частиц такой магнитной жидкости определяется
величиной
силы
смачивания
металла
жидкостью,
«изолирующей»
металлические частички друг от друга и обеспечивающей их относительно
свободное перемещение. Ещё лучше смачивают поверхность пылинок ПАВ
(поверхностно-активные вещества), именно поэтому они и используются в
«профессиональных» составах.
11
Экспериментальная часть.
Мне потребовалось:
1.Двухкомпонентный тонер с девелопером2.
2.Моторное масло.
Процесс приготовления данной жидкости в лабораторных условиях
весьма прост. Первым делом засыпаем тонер. Делаем это осторожно, чтобы не
вдохнуть его. Затем льём масло, до консистенции сметаны, если смесь будет
слишком жидкой, то магнитные свойства будут выражаться не так ярко. Для
лучшего эффекта подогреваем смесь в течение получаса, при этом постоянно
помешивая. Ферромагнитнаяжидкость готова.
Свойства магнитной жидкости
… если её поместить в сильное магнитное поле, чтобы магнитные линии
внешнего поля были бы направлены вертикально относительно ее поверхности,
то вы будете наблюдать магнитостатический эффект, когда поверхность
жидкости вздувается бугром и «ощетинивается множеством иголок», что
объясняется увеличением давления жидкости в области сильного поля.
... опущенный в магнитную жидкость постоянный магнит не тонет.
Магнит располагается на одинаковом расстоянии от стенок сосуда. Магнит,
притянутый к стенке сосуда другим магнитом, отталкивается от нее, после того
как другой магнит убирают!
… в сильном магнитном поле она может менять свой цвет!
2
Девелопер – ферромагнитный порошок, смесь из соединения полимеров, оксида железа,углерода и
неорганических добавок
12
... разлитую магнитную жидкость можно собрать с помощью магнита, а
лучше с помощью электромагнита, потому что она легко отстанет от
электромагнита при выключении тока.
… магнитная жидкость обладает «памятью». Если на поверхности
жидкости в сильном магнитном поле начертить какой-либо рисунок,а затем
выключить магнитное поле, то рисунок исчезнет. Однако при повторном
включении внешнего магнитного полярисунок на поверхности жидкости
появится вновь!
… жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по
теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие
материалы
Следующим опытом я наглядно доказал гипотезу: «Ферромагнитная
жидкость может менять форму в присутствии магнитного поля». На слайде
видно, что при поднесении предметного стекла с данной жидкостью к магниту,
жидкость меняет форму.
13
Социологический опрос
С целью выявления первичных знаний о ФМЖ я провел опрос учащихся
9-11 классах
Вопросы были следующие:
«Знаете ли вы что такое ферромагнитная жидкость?»
«Слышали ли вы ранее о ферромагнитной жидкости, если да, то откуда?»
«Где бы могла применяться ферромагнитная жидкость?»
Выводы по опросу
Из этих опросов можно сделать вывод, что ученики старших классов,
совсем не знают, что такое ферромагнитная жидкость и ее свойства.Может
быть в СМИ мало информации о нанотехнологиях, наноматериалах и их
применениях. Ведь, кто, как ни подростки, проводящие в интернете большую
часть времени, узнали бы первые об этом. Значит, свою работу я проделал не
зря.
Применение ферромагнитной жидкости
Машиностроение.
1.Герметизатор вразличного рода уплотнениях, подшипниках трения и
качения, сложных узлах станков и машин (не позволяет жидкости вытекать из
зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз)
2.Амортизаторы
Медицина.
1. Противоопухолевые препараты смешивают с магнитной жидкостью,
вводят в кровь и располагают магнит у опухоли. Лекарство сосредоточивается у
пораженного участка, не нанося вреда всему организму.
2. В качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых
органов,
т.
к.
коллоидные
ферритовые
рентгеновские лучи.
14
частицы
активно
поглощают
Оборонная промышленность.
Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие
на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных
волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассевания самолета.
Авиакосмическая промышленность.
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.
Горнорудная промышленность.
Ферромагнитная
жидкость
может
быть
использована
в
составе
магнитножидкостного сепаратора для очистки от шлака мелкого золота.
Электронные устройства.
1.Ферромагнитные
жидкости
используются
для
создания
жидких
уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в компьютерных
жёстких дисках.
2.Ферромагнитная
жидкость
также
используются
в
некоторых
высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки.
Вывод.
Завершаясвою работу, я выполнил все поставленные задачи, а именно:
узнал о объектах нанотехнологии, о диа-, пара-, ферромагнетиках, узнал, что
такое ферромагнитная жидкость, где она применяется, и смог получить её в
лабораторных условияхизучить ее свойства.Но самое главное то, что у меня
получилось рассказать это простым языком, я смог донести эту информацию до
своих одноклассниках и надеюсь заинтересовать их. Всё гениальное просто.Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь
государства, в котором мы живём. Дальнейшее развитие этого направления
зависит от нас
15
Список используемой литературы
1. Каменева Ю.Ю., Карпова Г.В., Коварда В.В., Лобова О.В., Полунин В.М.
Исследование свойств магнитожидкостной мембраны// Акустика. - 2005.
- Т. 51.- № 6. - с. 778-786.
2. Магнитные жидкости в ИГЭУ: Тр. ИГЭУ / Под ред. Ю.Я Щелыкалова. –
Иваново:Гос. энерг. ун-т, 2004. – 144 с.
3. Налетова В.А. Намагничивающиеся полидисперсные суспензии в
однородном магнитном поле: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. - М.,
2004. - 31 с.
4. Орлов Д.В., Михалев Ю.О., Мышкин Н.К. и др. Магнитные жидкости в
машиностроении. - М.: Машиностроение, 1993. - 268 с.
5. Фертман В.Е. Магнитные жидкости – естественная конвекция и
теплообмен. - Минск: Наука и техника, 1978. - 206 с.
6. Ресурсы Интернета:

«Наука и Образование» Электронное научно-техническое издание
technomag.edu.ru

"Квант"научный журнал

"Наука и жизнь" научный журнал

http://ru.wikipedia.org

http://khd2.narod.ru

http://x-creators.ru/video/124-ferromagnitnaya-zhidkost.html

http://www.moluch.ru/archive/41/4983/

http://class-fizika.narod.ru/8_m15.htm

http://www.nanometer.ru/2010/03/02/1267523116319.html

http://ifit.uspu.ru
16
Приложения
Приложение 1
Таблица «Отношение диаметра атома в кристаллической решетке к диаметру
незаполненного слоя»
Элемент
Диаметр
Диаметр незаполненного Отношение а/d
Примечание
атома а
слоя d, A
Марганец
2,52
1,71
1,47
Не ферромагнитен
Железо
2,50
1,53
1,47
Ферромагнитен
Никель
2,50
1,27
1,97
Ферромагнитен
Платина
2,77
2,25
1,23
Не ферромагнитен
Гадолиний
3,35
1,08
3,10
Ферромагнитен
17