NASA töötaja Steve Papell ferrofluidi leiutamisest on möödunud 52 aastat. Ta lahendas väga spetsiifilist probleemi: kuidas sundida kaaluta oleku tingimustes raketi kütusepaagis olevat vedelikku lähenema augule, kust pump kütust põlemiskambrisse pumpas. Just siis tuli Papell välja mittetriviaalse lahendusega – kütusele mingisuguse magnetilise aine lisamisega, et välismagneti abil kütuse liikumist paagis kontrollida. Nii sündis ferromagnetiline vedelik.
Papell kasutas magnetilise ainena magnetiiti (Fe 3 O 4), mida ta purustas spetsiaalse tehnoloogia abil (jahvatati segus oleiinhappega) mitu päeva. Tulemuseks oli stabiilne kolloidne suspensioon, milles olid stabiilselt olemas väikesed 0,1–0,2 mikroni suurused magnetiidi osakesed. Oleiinhape mängis selles süsteemis pinna modifikaatori rolli, mis takistas magnetiidiosakeste kokkukleepumist. S. Papella patent US 3215572 A (Madala viskoossusega magnetvedelik, mis saadakse magnetosakeste kolloidse suspensiooni abil) on avatud ja seda saab vaadata Internetis. Ferromagnetilise vedeliku klassikaline koostis on 5% (mahu järgi) magnetosakesi, 10% pinna modifikaatorit (oleiin-, sidrun- või polüakrüülhape jne). Ülejäänud on orgaaniline lahusti, sealhulgas vedelad õlid.
Viimastel aastatel on huvi magnetvedelike vastu elavnenud ja tänaseks on need leidnud juba palju rakendusi. Kui kannate sellist vedelikku neodüümmagnetile, libiseb magnet minimaalse takistusega üle pinna, see tähendab, et hõõrdumine väheneb järsult. Lennukite raadiot neelavaid katteid valmistatakse USA-s ferromagnetilise vedeliku baasil. Ja kuulsa Ferrari loojad kasutavad auto vedrustuses magnetorheoloogilist vedelikku: magnetiga manipuleerides saab juht vedrustust igal ajal kõvemaks või pehmemaks muuta. Ja need on vaid mõned näited.
Magnetvedelik on hämmastav materjal. Kui asetate selle magnetvälja, ühinevad hajutatud magnetosakesed ja joonduvad piki väljajooni, muutudes täiesti tahkeks aineks. Tänapäeval näidatakse paljudes meelelahutussaadetes trikke magnetvedelikuga, mis magnetiga kokkupuutel muutuvad sümmeetriliselt laitmatuteks siilideks või kaktusteks. Muidugi saate osta ferromagnetilist vedelikku, kuid palju huvitavam on seda ise valmistada.
Kirjutasime, kuidas saada isekõvastuvat magnetvedelikku, mis võimaldab mikroskoobi all uurida magnetosakestest moodustunud struktuure (“Keemia ja elu”, 2015, nr 11) Ja siin on veel üks isetehtud retsept. ferromagnetiline vedelik. Võtke 50 ml laserprinteri toonerit. See pulber koosneb vähemalt 40% magnetiidist, mille osakeste suurus on 10 nanomeetrit või vähem. Toonik sisaldab tingimata ka pinna modifikaatorit, et nanoosakesed kokku ei kleepuks. Lisage 30 ml taimeõli (kaks supilusikatäit) 50 ml toonikule ja segage hoolikalt, säästmata selle protsessi jaoks aega. Tulemuseks on must homogeenne vedelik, mis sarnaneb hapukoorega. Nüüd vala see külgedega lapikusse klaasnõusse nii, et kihi paksus oleks vähemalt sentimeeter. Aseta anuma põhja alla magnet ja selles kohas ilmub vedeliku sisse kohe kõva siil. Seda saab liigutada magneti abil. Kui tood magneti vedeliku pinnale või küljelt, hüppab vedelik sõna otseses mõttes magneti suunas välja, seega ole ettevaatlik. Selle probleemi vältimiseks võite asetada magnetilise vedeliku väikesesse klaaskoonilisse kolbi, täites selle pooleldi või veidi vähem. Kallutage kolbi, et tekitada kolvi küljele vedelikukiht, ja hoidke magnetit klaasi lähedal.
Edu sõltub magneti tugevusest (poest saab osta väikest neodüümmagnetit) ja tooneri kvaliteedist. Viimasel juhul peate olema kindel, et see sisaldab magnetpulbrit.
Magnetvedelik või täpsemalt ferromagnetiline vedelik on vedelik, mis on magnetvälja juuresolekul tugevalt polariseeritud. See sai oma nime ladinakeelsest sõnast ferrum, see tähendab "raud".
Magnetvedelik pole midagi muud kui väga dispergeeritud suspensioon. Teisisõnu, see on kolloidne süsteem, mis koosneb kandevedelikust ja selles suspendeeritud ferromagnetilistest nanosuurustest osakestest. Kandevedelik võib olla vesi, orgaaniline lahusti, süsivesinikud, räni või fluororgaanilised ained.
Nende ainete nimetus ei vasta aga täielikult tegelikkusele, kuna sellistel vedelikel endal ferromagnetilisi omadusi ei ole. Pärast seda, kui magnetvälja mõju neile lakkab, ei säilita nad jääkmagnetiseerimist. Ferromagnetilised vedelikud on tegelikult lihtsalt paramagnetilised või, nagu neid nimetatakse ka "superparamagnetilisteks" - nad on lihtsalt magnetvälja suhtes väga vastuvõtlikud.
Ferrovedelike ajalugu
Ferromagnetilised vedelikud jms ained ilmusid üsna kaua aega tagasi. Peaaegu samaaegselt loodi need eelmise sajandi 60ndatel USA-s ja NSV Liidus. Neil aastatel kasutati neid laialdaselt erinevates kosmoseprogrammides.
Need ained on muutunud kättesaadavaks ka teistele teadusringkondadele mitte nii kaua aega tagasi. Tänapäeval uuritakse magnetilisi vedelikke paljudes kõrge teadusliku potentsiaaliga riikides: Jaapanis, Prantsusmaal, Saksamaal ja Ühendkuningriigis.
Ferromagnetiliste vedelike kasutamine
Kõigi ferromagnetiliste vedelike peamine ja ainulaadseim omadus on nende suure voolavuse ja erakordsete magnetiliste omaduste kombinatsioon. Nende kahe näitaja järgi on ferromagnetilised ained kümneid tuhandeid kordi paremad kui kõik teadaolevad vedelikud. Just tänu nendele omadustele on magnetsuspensioonid leidnud laialdast rakendust väga erinevates valdkondades.
Näiteks kasutatakse neid elektroonikaseadmetes, kasutades neid kihi loomiseks, mis kaitseb osi usaldusväärselt võõrosakeste tungimise eest. Ja paljud tweeterid kasutavad ferrofluide, et eemaldada soojust häälemähist.
Masinaehituses kasutatakse selliseid vedrustusi sõlme üksikute osade vahelise hõõrdumise vähendamiseks.
Magnetvedelikke kasutatakse ka analüütilistes instrumentides – tänu oma murdumisomadustele on need leidnud oma niši optikas.
Käimas on ka katsed ferromagnetiliste vedelike kasutamise kohta kasvajate eemaldamiseks.
FERROMAGNETILISE VEDELIKU (FMF) KASUTAMINE
Ferromagnetiliste vedelike kasutusvaldkonnad
Ferromagnetilisi vedelikke kasutatakse kõvaketaste pöörlevate telgede ümber vedelate tihendusseadmete loomiseks. Pöörlevat telge ümbritseb magnet ning magneti ja telje vahelisse pilusse asetatakse väike kogus ferromagnetilist vedelikku, mida hoiab magneti külgetõmme. Vedelik moodustab barjääri, mis ei lase väljastpoolt tulevatel osakestel kõvakettale sattuda. Ferrotec Corporationi inseneride sõnul taluvad pöörlevate telgede vedelad tihendid tavaliselt rõhku 3–4 psi (ligikaudu 20 680–27 580 Pa), kuid sellised tihendid ei sobi lineaarse liikumisega komponentidele (nt kolbidele), kuna vedelik tõmmatakse mehaaniliselt. vahest välja.
Ferromagnetilist vedelikku kasutatakse ka paljudes kõrgsageduskõlarites, et eemaldada soojust häälemähist. Samal ajal töötab see mehaanilise summutajana, summutades soovimatut resonantsi. Ferromagnetilist vedelikku hoiab häälepooli ümbritsevas pilus tugev magnetväli, olles üheaegselt kontaktis nii magnetpindade kui ka mähisega.
Ferromagnetiline vedelik võib hõõrdumist vähendada. Piisavalt tugeva magneti, näiteks neodüümi pinnale kandmisel võimaldab see magnetil minimaalse takistusega üle sileda pinna libiseda.
Ferrari kasutab vedrustuse võimekuse parandamiseks mõnes automudelis magnetorheoloogilisi vedelikke. Arvutiga juhitava elektromagneti mõjul võib vedrustus muutuda hetkega jäigemaks või pehmemaks.
USA õhujõud on võtnud kasutusele ferromagnetilisel vedelikul põhineva radiokiirgust neelava värvi. Vähendades elektromagnetlainete peegeldust, aitab see vähendada lennuki efektiivset hajumise ala.
NASA viis läbi katseid ferromagnetilise vedeliku kasutamise kohta suletud ringis kosmoselaeva kosmoses stabiliseerimise süsteemi alusena. Magnetväli mõjutab ferromagnetilist vedelikku ringis, muutes nurkimmenti ja mõjutades laeva pöörlemist.
Ferromagnetilistel vedelikel on nende murdumisomaduste tõttu palju rakendusi optikas. Nende rakenduste hulgas on heelium-neoonlaseriga valgustatud polarisaatori ja analüsaatori vahele asetatud vedeliku spetsiifilise viskoossuse mõõtmine.
Meditsiinis saab bioühilduvaid ferromagnetilisi vedelikke kasutada vähi diagnoosimiseks. Samuti tehakse palju katseid ferromagnetiliste vedelike kasutamise kohta kasvajate eemaldamiseks. Eeldatakse, et kasvajasse süstitakse ferromagnetilist vedelikku ja see puutub kokku kiiresti muutuva magnetväljaga ning hõõrdumisest tekkiv soojus võib kasvaja hävitada.
Kui magnetväli rakendatakse erineva vastuvõtlikkusega ferromagnetilisele vedelikule (näiteks temperatuurigradiendi tõttu), tekib ebaühtlane magnetiline mahtjõud, mis viib soojusülekande vormini, mida nimetatakse termomagnetiliseks konvektsiooniks. Seda soojusülekande vormi saab kasutada seal, kus tavaline konvektsioon ei sobi, näiteks mikroseadmetes või madala gravitatsiooniga keskkondades.
Ferromagnetilise vedeliku kasutamist kõlarites soojuse hajutamiseks on juba mainitud. Vedelik hõivab tühimiku häälemähise ümber, mida hoiab paigal magnetväli. Kuna ferromagnetilistel vedelikel on paramagnetilised omadused, järgivad nad Curie-Weissi seadust, muutudes temperatuuri tõustes vähem magnetiliseks. Tugev magnet, mis asub häälemähise lähedal, mis toodab soojust, tõmbab külma vedelikku rohkem kui kuuma vedelikku, tõmmates kuuma vedeliku mähist eemale jahuti poole. See on tõhus jahutusmeetod, mis ei nõua lisaenergiat.
Külmutatud või polümeriseeritud ferromagnetiline vedelik, mis asub konstantse (magnetiseeruva) ja vahelduva magnetvälja kombinatsioonis, võib olla vahelduva välja sagedusega elastsete vibratsioonide allikas, mida saab kasutada ultraheli tekitamiseks.
Sissejuhatus
Me kõik oleme harjunud, et ainult tahketel kehadel on magnetilised omadused. Kas on võimalik luua vedelikumagnetit? Selgub, et see on võimalik. Vedelmagnetit võib nimetada ferromagnetiliseks vedelikuks, mis on magnetväljas võimeline avaldama magnetilisi omadusi. Pealegi võib see vedelik tugevas magnetväljas kaotada voolavuse, muutudes sarnaseks tahke kehaga. Paljud inimesed on sellistest ainetest kuulnud, kuid enamik peab neid eksootiliseks ja kalliks kõrgtehnoloogiliseks tooteks. Otsustasime kontrollida, kas lihtsas koolilaboris on võimalik magnetvedelikku valmistada.
Seega on meie uurimisobjektiks ferromagnetiline vedelik. Uurimistöö teemaks on ferromagnetilise vedeliku valmistamise meetodid ja selle omadused.
Eesmärk on saada ferromagnetiline vedelik ja uurida selle omadusi. Eesmärkide saavutamiseks on püstitatud järgmised ülesanded:
1) uurimisteemalise teaduskirjanduse analüüs;
2) magnetvedeliku saamine kooli laboris;
4) magnetvedeliku omaduste arvestamine;
5) praktilise tegevuse tulemuste hindamine.
Uurimishüpotees: tavalises koolilaboris saab valmistada ferromagnetilist vedelikku ja teha sellega katseid.
Uurimismeetodid : teoreetiliste allikate uurimine , praktiline katse, vaatlus, võrdlev analüüs.
Uuringu praktiline tähtsus seisneb selles, et ferromagnetilist vedelikku saab kasutada keemia- ja füüsikatundides ning valikainetes katsete läbiviimiseks, mis tõstab oluliselt kognitiivset huvi ainete õppimise vastu.
1. peatükk.
Ferromagnetilise vedeliku koostis ja omadused
Ferromagnetiline vedelik (FMF, magnetiline vedelik, ferrofluid) (ladina keelest raud- raud) on vedelik, mis on magnetvälja juuresolekul tugevalt polariseeritud.
Ferromagnetilised vedelikud on kolloidsed süsteemid, mis koosnevad kandevedelikus hõljuvatest ferromagnetilistest osakestest.
Ferromagnetilistel vedelikel on rohkem kui ühe aine oleku omadused. Sel juhul on need kaks olekut tahke metall ja vedelik, milles see sisaldub.
Ferromagnetilised vedelikud koosnevad nanomeetri suurustest osakestest (tavaliselt 5–10 nm) magnetiidist, hematiidist või muust rauda sisaldavast materjalist, mis on stabiliseeritud polaarses (vesi või alkohol) ja mittepolaarses (süsivesinikud ja silikoonid) keskkonnas, kasutades pindaktiivseid aineid või polümeere. Osakeste katmiseks ferromagnetilises vedelikus kasutatakse järgmisi pindaktiivseid aineid: oleiinhape, polüakrüülhape, naatriumpolüakrülaat, sojaletsitiin. Pindaktiivsed ained takistavad osakeste kokkukleepumist, takistades neil moodustada liiga raskeid klastreid, mida ei saa Browni liikumise tõttu suspensioonis hoida.
Ferromagnetilistel vedelikel on hea voolavus koos magnetiliste omadustega. Tugeva vertikaalselt suunatud magnetvälja mõjul moodustab paramagnetiliste omadustega vedeliku pind spontaanselt korrapärase voltide struktuuri. Seda efekti nimetatakse "tavaliselt suunatud välja ebastabiilsuseks".
Magnetosakesed on piisavalt väikesed, et termiline liikumine jaotab need ühtlaselt kandevedelikus, nii et need aitavad kaasa vedeliku kui terviku reageerimisele magnetväljale. Samamoodi annavad ioonid paramagnetiliste soolade vesilahustes (näiteks vask(II)sulfaadi või mangaan(II)kloriidi vesilahus) lahusele paramagnetilised omadused.
Ferromagnetilised vedelikud on stabiilsed: nende tahked osakesed ei kleepu kokku ega eraldu eraldi faasiks isegi väga tugevas magnetväljas. Kuid vedelikus sisalduvad pindaktiivsed ained kipuvad aja jooksul (umbes kaks kuni viis aastat) lagunema ja lõpuks kleepuvad osakesed kokku, eralduvad vedelikust ega mõjuta enam vedeliku reaktsiooni magnetväljale. Samuti kaotavad ferromagnetilised vedelikud oma magnetilised omadused Curie temperatuuril, mis nende jaoks sõltub ferromagnetiliste osakeste, pindaktiivse aine ja kandevedeliku konkreetsest materjalist.
On ferromagnetilise vedelikuga omadustelt sarnaseid aineid – magnetoreoloogilist vedelikku ja paramagnetilisi aineid. Mõiste "magnetoreoloogiline vedelik"
" viitab vedelikele, mis nagu ferromagnetilised vedelikud, tahkuvad magnetvälja toimel. Ferromagnetilise vedeliku ja magnetorheoloogilise vedeliku erinevus seisneb osakeste suuruses. Osakesed ferromagnetilises vedelikus on peamiselt nanomeetri suurused osakesed, mis on Browni liikumise tõttu hõljuvad ja tavatingimustes ei setti. Magnetorheoloogilises vedelikus on osakesed enamasti mikromeetri suurused (1-3 suurusjärku suuremad); need on liiga rasked, et neid Browni liikumisega hõljuda, ja settivad seetõttu aja jooksul osakeste ja kandevedeliku tiheduse loomulike erinevuste tõttu. Seetõttu on neil kahel vedelikutüübil erinev rakendus.
Paramagnetilised ained on ained, mis magnetiseeritakse välises magnetväljas välise magnetvälja suunas. Paramagnetilised ained on nõrgalt magnetilised ained. Paramagnetilistel aatomitel on oma magnetmomendid, mis välisväljade mõjul orienteeruvad piki välja ja loovad seeläbi välja, mis ületab välist. Paramagnetiliste materjalide hulka kuulub ka raud(II)kloriid (FeCl 2), mida kasutatakse ferromagnetilise vedeliku valmistamiseks.
Eelmise sajandi üheksakümnendate alguses jõudis kinoekraanidele film “Terminaator 2”. Kõiki vaatajaid hämmastas Robert Patricku kehastatud viskoossest metallist küborgitapja võime võtta endale mitmesuguseid rõivaid.
Toona ei mõelnud me professionaalselt tehtud arvutianimatsiooni imetledes sellele, et küborgi mõrvari fantastiliste transformatsioonide mõju saab simuleerida reaalsetes tingimustes.
Ferromagnetiline vedelik on materjal, mis võimaldab näha liikuvaid skulptuurseid kompositsioone. Kõiki aineid saab klassikalise poole meelitada või tõrjuda. Kuid enamiku neist on reaktsioon nii nõrk, et seda saab tuvastada ainult spetsiaalsete seadmetega. Oleks suurepärane, kui oleks võimalik materjale suurendada ilma nende struktuuri hävitamata ja nende esialgseid omadusi radikaalselt muutmata.
Kõik muutus, kui keemikud sekkusid selle probleemi lahendamisse ja lõid hea voolavusega ferromagnetilisi vedelikke. Nad suutsid saada väikseimaid magnetosakesi, mis vedelikesse viidi, ja magnetväljaga kokku puutudes ei koondunud nad kokku ega settinud, vaid muutsid vedeliku "tahkeks".
Ferromagnetiline vedelik on väga väikeste osakeste kolloidne dispersioon, mis on stabiliseeritud vesi- või süsivesinikkeskkonnas ja mida toetavad pindaktiivsed ained. Sellised vedelikud on stabiilsed mitu aastat ja neil on hea voolavus koos magnetiliste omadustega.
Ferromagnetilist vedelikku saab toota mitmel viisil. Protsess on üsna lihtne ja koosneb kahest etapist. Esiteks on vaja saada kolloidse suurusega lähedased magnetosakesed. Ja järgmine samm on nende stabiliseerimine vedelal alusel.
Selliste vedelike praktilise kasutamise võimalikkuse teema jääb teadlaste jaoks väga aktuaalseks. Viimastel aastatel on nad tegelenud reovee puhastamisega naftasaaduste selliste vedelikega. Selle protsessi põhimõte on naftasaaduste magnetiseerimine magnetiliste vedelike reovette viimise teel. Ja seejärel eraldatakse magnetiseeritud naftasaadused spetsiaalsete süsteemidega.
Ferromagnetiline vedelik leiab oma rakenduse ka meditsiinis. Näiteks kahjustavad vähivastased ravimid terveid rakke. Kuid kui segate ravimeid sellise vedelikuga ja süstite selle patsiendi verre ning asetate kasvaja lähedale magneti, kontsentreerub segu õigesse kohta ega kahjusta kogu keha.
Siin on veel üks näide. Amortisaatoreid tootvad ettevõtted valavad oma amortisaatoritesse ferromagnetilisi vedelikke. Nendega ühendatud elektromagnet muudab vedeliku koheselt viskoosseks või vedelaks. Nii reguleeritakse auto vedrustust.
Sellistel vedelikel on ka huvitavad omadused. Kui lasete helilaine läbi magnetiseeritud vedeliku, tekib läheduses olevas vedelikus elektriline liikumapanev jõud. Ja edasi. Kui lisate seebimullide lahusele magnetvedelikku, saate hüpnotiseeriva esituse.
