Международный школьный научный вестник
Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

О журнале Выпуски Правила Олимпиады Учительская Поиск Личный портфель

СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

Мартиров И.В. 1
1 г. Красноярск, МБОУ «средней школы» № 42, 10 класс
Курденко Е.В. (Красноярск, МБОУ «средней школы» № 42)
1. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика / Розенцвейг Р. – М.: Мир, 1989. – 365 с.
2. Такетоми С., Магнитные жидкости / С. Такетоми, С. Тикадзуми. – М.: Мир, 1993. – 272 с.
3. Современное естествознание. Энциклопедия: В 10 т. Т. 5. – М.: Издательский Дом: МАГИСТР-ПРЕСС, 2000. – 210 с.: ил.
4. Еремин В.В., Дроздов А.А. Нанохимия и нанотехнологии. 10-11 классы. Профильное обучение / Еремин В.В., Дроздов А.А. – М.: Дрофа, 2009.
5. Журнал «Наука и жизнь» № 11. – 2002 – http://www.nkj.ru/archive/articles/4971/
6. Pespertuum. – Режим доступа: http://khd2.narod.ru/index.htm.
7. НАУКА – это ЖИЗНЬ! Сборник научно-познавательных статей, заметок и публикаций. – Режим доступа: http://nauka.relis.ru/34/0211/34211036.htm.
8. Словарь НАНО технологических и связанных с нанотехнологиями терминов. – Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article13576.
9. Нанометр. Нанотехнологическое сообщество. – Режим доступа: http://www.nanometer.ru/2013/01/10/magnitnie_zhidkosti_301807.html.
10. Фестиваль NAUKA 0+ Россия. Научно-познавательный портал. – Режим доступа: http://www.festivalnauki.ru/statya/14668/magnitnye-zhidkosti.
11. Википедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость.
12. Википедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностно-активные_вещества.
13. Интернет-издание, посвященное знаниям и разным взглядам на жизнь. – Режим доступа: http://pandia.ru/text/78/520/89724.php.
14. Познавательный портал о физике. – Режим доступа: http://www.its-physics.org/svoystva-zhidkostey-poverhnostnoe-natyazhenie.

Цель работы: выявить различия в свойствах магнитной жидкости (МЖ) с использованием разных поверхностно-активных веществ.

Гипотеза: если использовать разные виды поверхностно-активных веществ (ПАВ), то свойства магнитной жидкости будут различны.

Проблема: как получить раствор мельчайших частиц магнитного материала, то есть устойчивую и неосаждающуюся с течением времени взвесь твёрдых частиц в жидкости.

Объект исследования: магнитная жидкость.

Предмет исследования: свойства магнитной жидкости.

Задачи:

- изучение теории по данной теме;

- получение магнитной жидкости химическим способом с использованием разных поверхностно-активных веществ: хозяйственного мыла, Fairy, Sorti, растительного масла в качестве ПАВ, лимонной кислоты;

- изучение и сравнение физических свойства полученных магнитных жидкостей с образцом готовой магнитной жидкости (взятой из лаборатории);

- изучение магнитных свойств полученных магнитных жидкостей;

- изучение устойчивости магнитной жидкости с разными ПАВ;

Новизна работы.

В данной работе не только рассмотрено понятие магнитной жидкости и способ получения, но и проведены исследования ее свойств, выявлены различия в свойствах магнитной жидкости с использованием разных поверхностно-активных веществ. В результате проведенных исследований получена магнитная жидкость с оптимальными магнитными свойствами.

Практическая значимость.

Результаты исследований могут использоваться на уроках физики и химии, факультативных занятиях, для самообразования учащихся.

Магнитная жидкость

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. Размеры частиц варьируются в пределах от 5 нм до 10 мкм [8]. Для предотвращения слипания частиц используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ «изолируют» частички магнетита друг от друга, не давая им соединяться в крупные элементы, более подверженные оседанию на дно сосуда [13]. В роли базовой жидкости могут использоваться вода, керосин, технические масла и различные типы органических жидкостей, ее выбор обусловлен желаемым набором физических свойств конечного продукта, таких как: вязкость, плотность, теплопроводность, термостойкость и др.

Находясь в магнитном поле, магнитная жидкость приобретает магнитный момент, сравнимый с моментом твердых ферромагнетиков [1].

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 [4]. У магнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная структура из складок [12]. 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 [3].

При приложении к магнитной жидкости магнитного поля у неё изменяется вязкость. Вязкость – это внутреннее трение жидкости, препятствующее соседним слоям двигаться с различной скоростью. В обычном состоянии МЖ растекается по поверхности, (её вязкость в 10 раз больше, чем у молока и в 10 раз меньше, чем у масла), а при приложении магнитного поля вязкость МЖ резко возрастает. Наглядно это демонстрируется тем, что жидкость не растекается вдоль магнита, а образуются «шипы» вдоль линий магнитного поля [13].

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 [14].

Экспериментальная часть

Получение магнитной жидкости

Цель: получить магнитную жидкость

Наиболее простой химический метод приготовления магнитной жидкости нами был найден в журнале «Наука и жизнь», по которому и была изготовлена магнитная жидкость [5].

Изготовление магнитной жидкости химическим методом:

1. Растворялось в 500 мл дистиллированной воды 24 грамма FeCl3 и 12 граммов FeSO4 (рис. 1–2).

martir1.tif

Рис. 1. Взвешивание FeCl3 и FeSO4

martir2.tif

Рис. 2. Растворение FeCl3 и FeSO4

Полученный раствор отфильтровывался на воронке в другую колбу для отделения механических примесей (рис. 3).

martir3.tif

Рис. 3. Фильтрование полученного раствора

В полученный раствор вливалась аммиачная вода (100 мл), взбалтывалась. Затем доливалась дистиллированная вода, и колба ставилась с образовавшейся смесью на постоянный магнит на полчаса (рис. 4).

martir4.tif

Рис. 4. Добавление 100 мл аммиачной воды

После того, как образовавшиеся частицы магнетита выпадали на дно колбы, осторожно сливалась около двух третей раствора, и снова заливалась в колбу дистиллированная вода, взбалтывалась, и опять ставилась на магнит. Операция повторялась до тех пор, пока pH раствора не достигал 7.5–8.5.

После того, как последний промывной раствор на две трети был слит, загущённая суспензия была отфильтрована через бумажный фильтр на воронке и полученная суспензия разделялась на 2 равные части.

Далее, согласно рецепту, необходимо было смешать полученный осадок чёрного цвета с 7.5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты, которая играет роль ПАВ. После консультации с учителем химии выяснилось, что такие вещества как мыло, моющие средства, масло, лимонная кислота могут быть использованы в качестве ПАВ. Было принято решение, изготовить 4 вида магнитной жидкости: с добавлением хозяйственного мыла, моющего средства FAIRY (15-25 %), моющего средства SORTI (5-15 %), растительного масла, лимонной кислоты, поэтому пришлось повторять п. 1-5, для получения еще 2-х порций суспензии (рис. 5).

martir5.tif

Рис. 5. Разные виды поверхностноактивных веществ

Полученные смеси поочередно помещались в фарфоровый стаканчик и хорошо перемешиваясь, прогревалась на спиртовые горелки в течение 45 мин (рис. 6).

martir6.tif

Рис. 6. Прогревание магнитной жидкости

Полученная «патока» чёрного цвета охлаждалась до комнатной температуры. Затем доливалась дистиллированная вода (30 мл) в смеси и размешивалась. Разведённую водой «патоку» поставили еще раз на магнит в прохладное место, на сутки.

Вывод: было изготовлено 4 вида магнитной жидкости: с добавлением хозяйственного мыла, моющего средства FAIRY, моющего средства SORTI, растительного масла, лимонной кислоты.

Изучение физических свойств

Цель: изучить и сравнить физические свойства полученных магнитных жидкостей с образцом готовой магнитной жидкости (взятой из лаборатории)

Опыт № 1 «Определение плотности магнитной жидкости»

Приборы и материалы: весы с разновесами, шприц, пробирки с МЖ.

Для определения плотности получившихся магнитных жидкостей мы измерили массу 1 мл магнитной жидкости на весах и рассчитали плотность по формуле mar01.wmf Измерение повторили для 4 видов МЖ. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Физические свойства

Смесь

Внешний вид (цвет, запах, консистенция)

Плотность, г/см3

Образец готовой МЖ, взятый из лаборатории

Жидкая, однородная, темно-коричневая жидкость.

от 0,95 до 1,8

Смесь с добавлением хозяйственного мыла

Жидкая, однородная, темно-коричневая жидкость с запахом мыла

1,1

Смесь с добавлением Fairy

Жидкая, неоднородная (с отдельными частицами), черная жидкость с приятным ароматическим запахом

1,085

Смесь с добавлением Sorti

Жидкая, неоднородная (с отдельными частицами) черная жидкость с приятным ароматическим запахом

1,15

Смесь с добавлением растительного масла

Неоднородная (комочками) черная жидкость, без запаха

Смесь с добавлением лимонной кислоты

Жидкая, однородная, оранжево-коричневая жидкость, с запахом лимонной кислоты

1,05

Вывод: из всех изготовленных смесей, по своим физическим свойствам наиболее схожи с готовой МЖ смесь, содержащая хозяйственное мыло и смесь, содержащая лимонную кислоту в качестве ПАВ. Смесь с добавлением растительного масла из-за своей неоднородности была снята с дальнейшего изучения.

Опыт № 2 «Определение коэффициента поверхностного натяжения»

Цель: измерить коэффициент поверхностного натяжения различных видов МЖ.

Приборы и материалы: весы с разновесом, трубка резервуар, кран воздушный, стакан, пробирки с МЖ

Порядок выполнения работы:

1. С помощью штангенциркуля определяем диаметр наконечника пипетки D = 2 мм = 0,002 м

2. Взвешиваем стакан mсм = 2,2 г = 0,0022 кг.

3. С помощью пипетки отсчитываем 51-55 капель (n) в стакан (рис. 7).

martir7.tif

Рис. 7. Определение коэффициента поверхностного натяжения

4. Взвешиваем стакан с МЖ. Находим массу МЖ: mмж = m – mсм

5. Определяем массу одной капли:

mar02.wmf

6. Вычислите поверхностное натяжение:

mar03.wmf

7. Измерения повторили для 4 видов МЖ.

Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

МЖ

Смесь с добавлением хозяйственного мыла

Смесь с добавлением Fairy

Смесь с добавлением Sorti

Смесь с добавлением лимонной кислоты

σизм, мН/м

73

32

78

68

Выводы: полученные экспериментальные данные показали, что коэффициент поверхностного натяжения для МЖ с добавлением хозяйственного мыла, FAIRY, SORTI, лимонной кислоты, различный. Известно, что снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих ее свободную поверхностную энергию (мыло, жирные кислоты). Следовательно, тип и концентрация ПАВ влияют на поверхностное натяжение МЖ.

Опыт № 3 «Определение кинематической и динамической вязкости МЖ»

Цель: измерить коэффициент вязкости различных видов МЖ.

Приборы и материалы: капиллярный вискозиметр Освальда, шприц, воронка секундомер.

Порядок выполнения работы:

Наливаем в вискозиметр определенный объем МЖ, 3 раза измеряем время протекания через капилляр вискозиметра (рис. 8). Находим среднее значение времени протекания.

По формуле ν = С·tср определяем значение кинематической вязкости МЖ, где С = 0,3246·10-6 м2/с2 –постоянная вискозиметра.

martir8.tif

Рис. 8. Определение кинематической вязкости магнитной жидкости капиллярным методом

По формуле μ = ν·ρ определяем динамическую вязкость МЖ.

Опыт и расчеты повторяем для 4 видов МЖ, содержащих различные ПАВ.

Результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Смесь

Средне время истечения

Кинематическая вязкость ν (м2/с)

Плотность ρ (кг/м3)

Динамическая вязкость

μ (н·сек/м2)

с добавлением хозяйственного мыла

4,55

1,48·10-6

1100

1628·10-6

с добавлением Fairy

6,89

2,2·10-6

1085

2387·10-6

с добавлением Sorti

7,32

2,4·10-6

1150

2760·10-6

с добавлением лимонной кислоты

6,17

2·10-6

1050

2100·10-6

Выводы: полученные экспериментальные данные показали, что кинематическая и динамическая вязкость для МЖ с добавлением хозяйственного мыла, FAIRY, SORTI, лимонной кислоты, различная.

Изучение магнитных свойств

Цель: изучить магнитные свойства полученных магнитных жидкостей

Опыт № 1. След магнитной жидкости

Переливались полученные смеси в разные пробирки, и подносился магнит. При движении магнита, смеси поднимались вслед за магнитом, оставляя след на стенках пробирки.

Результаты: смеси с добавлением Fairy и Sorti оставляли черный неоднородный след (оставались частицы) на стекле, а смеси с добавлением мыла и лимонной кислоты однородный, оранжево-коричневый след (рис. 9).

martir9.tif

Рис. 9. След магнитной жидкости

Опыт № 2. Получение шипов на поверхности магнитной жидкости

Для получения известных «ежей» переливалась магнитная жидкость в чашку Петри, и подносился магнит.

Результаты: смеси заметно вспучивалась, но не покрывалась шипами (рис. 10). Знаменитые опыты «с ежом» удавалось воспроизвести только с готовой магнитной жидкостью.

martir10.tif

Рис. 10. Получение шипов на поверхности магнитной жидкости

martir11.tif

Рис. 11. Взвешенное состояние магнита в магнитной жидкости

Опыт № 3. Взвешенное состояние магнита в магнитной жидкости

Опускался магнит в полученные смеси.

Результаты: магнит не утонул, покрылся смесью, при наклоне чаши, двигался «внутри жидкости» (рис. 11). Однако было замечено, что в смесях содержащей Fairy и Sorti частицы стали отделятся от жидкости, и стремительно двигались к магниту. Через некоторое время магнит был облеплен частицами, а вокруг него осталась практически прозрачная жидкость (рис. 12).

martir12a.tif martir12b.tif

Рис. 12. Отделение частиц в смесях, содержащих Fairy и лимонную кислоту

Опыт № 4. Намагничивание фильтрованной бумаги

Брались кусочки фильтрованной бумаги, пропитывались изготовленными смесями и высушивалась.

Результаты: при поднесении магнита, бумага, пропитанная смесью с добавлением Sorti и Fairy «подпрыгивала» и «прилипала» к магниту. Бумага, пропитанная смесью с добавлением мыла и лимонной кислоты, только при непосредственном контакте притянулась к магниту. Следовательно, частицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей слабые магнитные свойства (рис. 13).

martir13.tif

Рис. 13. Намагничивание фильтрованной бумаги

Опыт № 5. Скольжение магнита в магнитной жидкости

Повторялся опыт № 3, и обращалось внимание на скольжение магнита.

Результат: в начале опыта магнит во всех жидкостях легко скользил, но спустя некоторое время, магнит, опущенный в смеси, содержащие Fairy и Sorti, стал соприкасаться с дном чаши, и его движение стало затормаживаться.

Изучение устойчивости магнитной жидкости

Опыт № 1. Время оседания частиц

Переливались смеси в пробирки, и наблюдалось поведение частиц. Затем фиксировалось время и движение частиц.

Результаты: через некоторое время в смесях, содержащих Fairy и Sorti, частица оседали, образуя осадок, над которым находилась почти прозрачная жидкость. В смеси содержащей лимонную кислоту, оседание частиц происходило очень медленно. В смеси с содержанием мыла оседание не наблюдалось. Результаты представлены на графиках (рис. 14–15).

martir14a.tif martir14b.tif

До После

Рис. 14. Устойчивость магнитной жидкости

martir15.wmf

Рис. 15. График зависимости оседания частиц в магнитной жидкости

Заключение

Таким образом, выдвинутая гипотеза подтвердилась.

Выводы

1. Экспериментальным путем было получено 4 вида магнитной жидкости с разными поверхностно-активными веществами (ПАВ).

2. Выявлены изменения магнитных и физических свойств магнитной жидкости при изменении ПАВ входящих в ее состав.

3. Полученные экспериментальные данные доказали, что тип и концентрация ПАВ влияют на плотность, коэффициент поверхностного натяжения, вязкость и устойчивость МЖ.

4. Из всех изготовленных смесей, устойчивой и наиболее схожей по своим физическим свойствам с готовой МЖ оказалась смесь, содержащая хозяйственное мыло в качестве ПАВ.

5. Вид магнитной жидкости, с использованием растительного масла, получился неоднородным.


Библиографическая ссылка

Мартиров И.В. СВОЙСТВА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ // Международный школьный научный вестник. – 2016. – № 1. – С. 142-149;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=21 (дата обращения: 26.09.2018).