Прошло 52 года с тех пор, как сотрудник NASA Стив Папелл изобрел ферромагнитную жидкость. Он решал вполне определенную задачу: как в условиях невесомости заставить жидкость в топливном баке ракеты подходить к отверстию, из которого насос перекачивал топливо в камеру сгорания. Тогда-то Папелл и придумал нетривиальное решение — добавлять в топливо какую-нибудь магнитную субстанцию, чтобы с помощью внешнего магнита управлять перемещением топлива в баке. Так на свет появилась ферромагнитная жидкость.

В качестве магнитного вещества Папелл использовал магнетит (Fe 3 O 4), который по специальной технологии размельчал (перетирал в смеси с олеиновой кислотой) в течение многих дней. Получалась устойчивая коллоидная суспензия, в которой стабильно существовали крошечные частички магнетита размером 0,1—0,2 микрона. Олеиновая кислота в этой системе играла роль модификатора поверхности, который не давал частицам магнетита слипаться. Патент С.Папелла US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles) открыт, и его можно посмотреть в Интернете. Классический состав ферромагнитной жидкости — 5% (по объему) магнитных частиц, 10% модификатора поверхности (олеиновая, лимонная или полиакриловая кислоты и др.). Остальное — органический растворитель, включая жидкие масла.

Интерес к магнитным жидкостям оживился в последние годы, и сегодня они нашли уже множество применений. Если нанести такую жидкость на неодимовый магнит, то магнит будет скользить по поверхности с минимальным сопротивлением, то есть трение резко уменьшится. На основе ферромагнитной жидкости в США делают радиопоглощающие покрытия на самолеты. А создатели знаменитого Ferrari используют магнитореологическую жидкость в подвеске автомобиля: манипулируя магнитом, водитель может сделать подвеску в любой момент более жесткой или более мягкой. И это лишь несколько примеров.

Магнитная жидкость — удивительный материал. Стоит поместить ее в магнитное поле, как разрозненные магнитные частицы объединяются и выстраиваются вдоль силовых линий поля, превращаясь во вполне твердое вещество. Сегодня фокусы с магнитной жидкостью, которая при соприкосновении с магнитом превращается в безупречных с точки зрения симметрии ежиков или кактусы, показывают на многих развлекательных шоу. Конечно, ферромагнитную жидкость можно купить, но ведь гораздо интереснее сделать самому.

Мы писали о том, как получить самозатвердевающую магнитную жидкость, которая позволит рассмотреть структуры, образованные магнитными частицами, под микроскопом («Химия и жизнь», 2015, №11).А вот еще один рецепт самодельной ферромагнитной жидкости. Возьмите 50 мл тонера для лазерного принтера. Этот порошок не менее чем на 40% состоит из магнетита, размер частиц которого — 10 нанометров и меньше. В тонере также обязательно присутствует модификатор поверхности, чтобы наночастицы не слипались. К 50 мл тонера добавьте 30 мл растительного масла (две столовые ложки) и тщательно перемешайте, не жалея на этот процесс времени. Получится черная однородная жидкость, похожая на сметану. А теперь налейте ее в плоскую стеклянную емкость с бортиками, чтобы толщина слоя была не меньше сантиметра. Поднесите магнит под донышко емкости, и в этом месте в жидкости сразу же возникнет жесткий ежик. С помощью магнита его можно перемещать. Если же вы поднесете магнит к поверхности жидкости или сбоку, то жидкость буквально выскочит навстречу магниту, так что будьте осторожны. Чтобы избежать этой неприятности, можно поместить магнитную жидкость в небольшую стеклянную коническую колбу, заполнив ее наполовину или чуть меньше. Наклоните колбу, чтобы образовался слой жидкости вдоль ее стенки, и поднесите магнит к стеклу.

Успех зависит от силы магнита (неодимовый магнит небольшого размера можно купить в магазинах) и качества тонера. В последнем случае надо быть уверенным, что он содержит магнитный порошок.

Магнитная жидкость, а точней, ферромагнитная жидкость – это жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Название свое она получила от латинского слова ferrum, то есть «железо».

Магнитная жидкость представляет собой не что иное, как высокодисперсную суспензию. Другими словами, это коллоидная система, которая состоит из несущей жидкости и ферромагнитных наноразмерных частиц, находящихся в ней во взвешенном состоянии. Несущей жидкостью могут являться вода, органический растворитель, углеводороды, кремний- или фторорганические вещества.

Название, однако, этих веществ не совсем соответствует действительности, так как сами по себе подобные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств. После прекращения воздействия на них магнитным полем они не сохраняют остаточной намагниченности. Ферромагнитные жидкости на самом деле являются лишь парамагнетиками или, как их еще называют, «суперпарамагнетиками» - они просто очень восприимчивы к магнитному полю.

История ферромагнитных жидкостей

Ферромагнитные жидкости и подобные им вещества появились достаточно давно. Практически одновременно они были созданы в 60-х годах прошлого столетия в США и СССР. В те годы их широко применяли в различных космических программах.
Другим кругам научной общественности эти субстанции доступны не так давно. Сегодня магнитные жидкости изучаются во многих странах, обладающих высоким научным потенциалом: Японией, Францией, Германией и Великобританией.

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.

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ (ФМЖ)

Сферы применения ферромагнитных жидкостей

Ферромагнитные жидкости используются для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках. Вращающаяся ось окружена магнитом, в зазор между магнитом и осью помещено небольшое количество ферромагнитной жидкости, которая удерживается притяжением магнита. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска. Согласно утверждениям инженеров Ferrotec Corporation, жидкие уплотнители на вращающихся осях в норме выдерживают давление в от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм (примерно от 20680 до 27580 Па), но такие уплотнители не очень годятся для узлов с поступательным движением (например, поршней), так как жидкость механически вытягивается из зазора.

Ферромагнитная жидкость также используются во многих динамиках для высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг голосовой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

Ферромагнитная жидкость способна снижать трение. Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового, она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Ferrari использует магнитореологические жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой.

Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающую краску на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, она помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.

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.

Ферромагнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером.

В медицине биологически совместимые ферромагнитные жидкости могут быть использованы для диагностики рака. Также ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей. Предполагается, что ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, и выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль

Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где не годится обычная конвекция, например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации.

Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг голосовой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри -- Вейса, становясь, менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом с голосовой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру. Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии.

Замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано для генерации ультразвука.

Введение

Все мы привыкли к тому, что магнитными свойствами обладают только твердые тела. А возможно ли создать жидкий магнит? Оказывается, возможно. Жидким магнитом можно назвать ферромагнитную жидкость, которая способна проявлять магнитные свойства, находясь в магнитном поле. Более того, в сильных магнитных полях эта жидкость может утратить текучесть, став подобной твёрдому телу. Многие слышали о таких веществах, но большинство считают их экзотическим и дорогим продуктом высоких технологий. Мы решили проверить, реально ли приготовить магнитную жидкость в простой школьной лаборатории.

Таким образом, объектом нашего исследования является ферромагнитная жидкость. Предмет исследования – способы получения ферромагнитной жидкости и её свойства.

Цель – получение ферромагнитной жидкости и изучение её свойств. Для реализации целей поставлены следующие задачи:

1) анализ научной литературы о предмете исследования;

2) получение магнитной жидкости в условиях школьной лаборатории;

4) рассмотрение свойств магнитной жидкости;

5) оценка результатов практической деятельности.

Гипотеза исследования: в обычной школьной лаборатории можно приготовить ферромагнитную жидкость и провести с ней опыты.

Методы исследования: изучение теоретических источников, практический эксперимент, наблюдение, сравнительный анализ.

Практическая значимость исследования 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.

Глава 1.

Состав и свойства ферромагнитной жидкости

Ферромагни́тная жи́дкость (ФМЖ, магни́тная жи́дкость, феррофлюид) (от латинского ferrum - железо) -жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных частиц находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости.

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 состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер от 5 до 10 нм) магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, следующие поверхностно-активные вещества (ПАВ): олейновая кислота, полиакриловая кислота, полиакрилат натрия, соевый лецитин. ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения.

Ферромагнитные жидкости обладают хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами. Под воздействием сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле».

Размеры магнитных частиц достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, поверхностно-активные вещества в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно от двух до пяти 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.

Имеются вещества, сходные по свойствам с ферромагнитной жидкостью – магнитореалогическая жидкость и парамагнетики. Термин «магнитореологическая жидкость

» относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Разница между ферромагнитной жидкостью и магнитореологической жидкостью в размере частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1-3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам. Атомы парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. К парамагнетикам относятся и хлорид железа (II) (FeCl 2), которое используется для приготовления ферромагнитной жидкости.

В начале девяностых годов прошлого столетия на экраны кинотеатров вышел фильм «Терминатор-2». Все зрители были поражены способностью киборга-убийцы из вязкого металла, которого сыграл Роберт Патрик, принимать разнообразные обличья.

Тогда, восторгаясь профессионально сделанной компьютерной анимацией, мы не задумывались над тем, что эффект фантастических превращений киборга-убийцы можно смоделировать и в реальных условиях.

Ферромагнитная жидкость - это тот материал, который позволяет увидеть движущиеся скульптурные композиции. К классическому могут притягиваться или отталкиваться все вещества. Но реакция большинства из них такая слабая, что ее можно обнаружить только специальными приборами. Было бы здорово, если бы можно было увеличить материалов без разрушения их структуры и кардинального изменения их исходных свойств.

Все поменялось, когда в решение этого вопроса вмешались химики и сотворили ферромагнитные жидкости, имеющие хорошую текучесть. Они сумели получить мельчайшие магнитные частички, которые вводились в жидкости, и при воздействии на них магнитного поля не сбивались в комок и не оседали, а делали жидкость «твердой».

Ферромагнитная жидкость - это коллоидная дисперсия с очень маленькими частицами, стабилизированными в водной или углеводородной среде, при поддержке поверхностно-активных субстанций. Подобные жидкости обладают устойчивостью в течение нескольких лет и имеют при этом хорошую текучесть в сочетании со свойствами магнетизма.

Ферромагнитная жидкость может быть получена многими способами. Процесс довольно прост и складывается из двух стадий. Вначале необходимо получить магнитные частицы с размерами, близкими к коллоидным. А уже далее - стабилизировать их в жидкой основе.

Очень актуальной для исследователей остается тема возможности практического применения таких жидкостей. В последние годы они работают над очисткой сточной воды такими жидкостями от нефтепродуктов. Принцип этого процесса - омагничивание нефтепродуктов путем введения магнитных жидкостей в сточную воду. А далее омагниченные нефтепродукты отделяются особыми системами.

Ферромагнитная жидкость найдет свое применение и в медицине. Например, противоопухолевые медикаменты вредят здоровым клеткам. Но если смешать медикаменты с такой жидкостью и ввести больному в кровь, а у опухоли поставить магнит, то смесь сосредоточится в нужном месте и не повредит весь организм.

А вот еще пример. Компании, выпускающие в их амортизаторы наливают ферромагнитные жидкости. Подведенный к ним электромагнит мгновенно делает жидкость вязкой или текучей. Таким образом, регулируется подвеска автомобиля.

Есть у таких жидкостей и любопытные свойства. Если пропустить звуковую волну через намагниченную жидкость, то в расположенной рядом, возникает электрическая движущая сила. И еще. Если в раствор для мыльных пузырей добавить магнитную жидкость, то получится завораживающее представление.