Состав и свойства ферромагнитной жидкости

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) (FeCl₂), которое используется для приготовления ферромагнитной жидкости.