Главная » 2017 » Январь » 10 » Исследовательская работа Технология будущего: ферромагнитная жидкость
12:36
Исследовательская работа Технология будущего: ферромагнитная жидкость

Муниципальное Общеобразовательное Учреждение «СОШ»

г.Печора, пгт. Кожва

Исследовательская работа 
Технология будущего: 
ферромагнитная жидкость
 
                                                                                              Автор работы:
                                                                  Осипик Наталья Валерьевна
                                                                         ученица 11 «А» класса
                                                                              Руководитель:
                                                                            Савчук Оксана Васильевна
                                                                             учитель химии и биологии
высшей категории

 


2016г
пгт. Кожва
Содержание.


1. Введение (проблема, гипотеза, цель, задачи)………………………………... 3стр.                                                                          
2.  Теоретическая часть  …..……………………………………………… 5стр.
        2.1. История открытия     ……………………….....................................5стр.
        2.2. Строение ферромагнитной жидкости   …………………………...5стр.
        2.3. Применение ферромагнитной жидкости …………………………6стр.
3. Практическая часть……………………………………………………...9стр.
       3.1. Получение ферромагнитной жидкости……………………………9стр.
       3.2. Эффект Тиндаля……………………………………………………11стр.
       3.3. Взаимодействие магнитной жидкости с магнитным полем…….11стр.
       3.4. Изготовление «магнитной» бумаги………………………………12стр.
       3.5. Исследование поведения магнитной жидкости в нефти………..12стр.       
4. Заключение………………………………………………………………13стр.  
5. Информационные источники...……………………………………….14стр.        
6. Приложения……………………………………………………………..15стр.


     

 

 

 

1.    ВВЕДЕНИЕ
   В научных лабораториях XXI века по всему миру происходит настоящая революция. Учёные получили возможность работать с материей в наномасштабах. Кроме того, они черпают новые идеи в природных материалах. При этом, чаще всего современные открытия совершаются на стыке наук, например, химии и биологии, химии и физики... В результате рождаются новые вещества со свойствами, которые раньше можно было встретить только в научной фантастике. Эти материалы имеют важное прикладное значение, и с каждым новым найденным применением привычный нам мир всё больше меняется [1].                                                                       
Моя работа посвящена ферромагнитной жидкости. Обладая необычными свойствами, ферромагнитная жидкость очень интересна для изучения и перспективна с точки зрения практической науки. Поэтому изучение данной темы актуально.    
Проблема: несмотря на широкое применение, мы мало знаем о ферромагнитной жидкости, способах её получении и магнитных свойствах.
Объект исследования: ферромагнитная жидкость.
Библиография: 
В Википедии ферромагни́тная жи́дкость (ФМЖ, магни́тная жи́дкость, феррофлюид) (от латинского ferrum — железо) — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля [2].  
В Большом толковом словаре русского языка – феррожидкость; суспензия порошкового магнитного материала, магнитная жидкость [3].  
Предмет исследования: свойства ферромагнитной жидкости.
Цель: изучить свойства ферромагнитной жидкости, её прикладное значение.
Задачи исследования:
1. Проанализировать литературу и материалы сети Internet о природе и свойствах ферромагнитной жидкости.
2. Изучить распространенные методы получения ферромагнитной жидкости, и выбрать оптимальную методику получения в условиях лаборатории.  
3. Исследовать свойства ферромагнитной жидкости.
4. Познакомится с практическим применением магнитной жидкости.
Гипотеза: имея простые реактивы можно получить ферромагнитную жидкость с хорошими магнитными свойствами в школьной лаборатории и изучить её свойства.
Методы исследования:
Теоретические методы исследования заключаются в анализе информационных источников об объекте исследования, его химическом составе и строении, химизме способов получения, свойствах, определении оптимальной методики получения ферромагнитной жидкости, направления применения.
Практические методы исследования заключаются в получение ферромагнитной жидкости, исследование её свойств. 
Актуальность результатов исследования определяется практической значимостью жидкости как ферромагнетика.
Практическая значимость исследования состоит в том, что оно может быть использовано школьниками для повышения образовательного уровня при изучении темы «Металлы» в 11 классе, учителем химии для проведения занимательного мероприятия в рамках «Недели естествознания».

 

 

 

 

 

 

2.    ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1.    История открытия
Изобретение магнитных жидкостей в начале 60 годов связано с выполнением космических программ.
 Они были почти одновременно синтезированы в США и России в середине 60-х годов двадцатого века. Первые магнитные жидкости были получены американцем Соломоном Стивеном Пайпеллом, в результате механического измельчения частиц магнетита в шаровых мельницах. Он запатентовал своё изобретение в 1963-м и в 1965 году. Измельчение проводили в присутствии поверхностно-активного вещества в течение 1000 часов. Магнетитовая пудра смешивалась с жидкой основой (керосином) и ПАВ (олеиновой кислотой), содержание которого составляло 10 – 20 % объёма основы. Разовая загрузка магнетита в жидкую фазу не превышала 0,2 кг/л. Такое соотношение между магнетитом и поверхностно-активным веществом создавало благоприятные условия для получения мономолекулярного защитного слоя на каждой частице, средний размер которой в конечном продукте составлял около 10 нм. Р. Кайзер усовершенствовал описанный процесс и получил магнитные жидкости на воде, органических основах (в том числе ароматических углеводородах) и эфирах.
В СССР родоначальником магнитожидкостных технологий был Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году по инициативе профессора Орлова и под его руководством в Ивановском энергетическом институте начались работы по созданию магнитных жидкостей и герметизирующих устройств на их основе. В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран мира: в Японии, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландах, Израиле [4].  

2.2.    Строение ферромагнитной жидкости  
Ферромагнитная жидкость – коллоидная система, состоящая из 3 составляющих:
1. Магнитные материалы, (Fe, Ni, Zn, Co, Mn), измельчённые до 8-15 нм.
2. Базовая жидкость - основа, в которой частички магнетита будут взвешены.  
Для медицинских целей выбирают воду. Также в качестве основы берут керосин, полиэфир, вазелиновое масло.
3. Стабилизаторы – ПАВ (олеиновая кислота, тетраметиловый гидроксид аммония, полиакриловая кислота, полиакрилат натрия, лимонная кислота)
[2].  
   Итак, ферромагнитная жидкость – это уникальный материал, обладающий с одной стороны текучестью, а с другой, способна взаимодействовать с магнитным полем и резко повышать свою вязкость (вплоть до полного затвердевания), легко меняя форму.

      2.3.   Применение
Изучив различные Интернет-ресурсы [1,5,6,7], я убедилась в том, что уникальные свойства ферромагнитных жидкостей уже нашли своё применение как за рубежом, так и России в самых разных областях медицины, техники, экологии ... 
Остановлюсь на наиболее интересных областях применения ферромагнитных жидкостей:
В медицине.
 В настоящее время ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления и диагностики опухолей. Феромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро меняющегося магнитного поля, а выделяющееся от трения тепло может разрушить опухоль.
В машиностроении.
Компания “Ferrari” заливает магнитную жидкость в амортизаторы своих автомобилей. Под действием электромагнита, контролируемого компьютером, жидкость может мгновенно становиться более вязкой или более текучей, а значит, и подвеска становится жёстче или мягче.

В обороной промышленности.
ВВС США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.
В электронных устройствах. 
Ферромагнитные жидкости испольуются 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. 
В компьютерных технологиях.
Контролируемые магнитами эти жидкости обволакивают вращающиеся оси жёстких дисков. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска.
В акустических динамиках.
Компания “Sony” первой начала использовать магнитную жидкость, что позволило увеличить уровень громкости и добиться более чистого звучания. Жидкость вместо твёрдой шайбы устраняет дополнительный источник искажений.
В экологии.
Удаление нефтяной плёнки с поверхности водоёма при экологических катастрофах. На пятно нефти распыляется немного ферромагнитной жидкости, она растворяется в нефти, а затем плёнка удаляется мощными электромагнитами [5].
В борьбе с фальшивомонетничеством.
Магнитная детекция эффективна для большинства мировых валют. При печати банкнот используются специальные краски, в состав которых вводятся ферромагнитные добавки.
При изготовлении банкнот используют скрытые защитные признаки. На российских рублях, например, ферромагнитными свойствами обладает темно-зеленая краска, которой отпечатаны серийные номера в правой верхней части лицевой стороны банкнот, на долларах США - портрет президента и некоторые другие фрагменты изображений. Участки, запечатанные магнитной краской, при рассматривании с помощью магнитного визуализатора выглядят рельефными [6]. Как показывает практика, большинство фальшивых купюр изготавливаются без применения красок с ферромагнитными свойствами.
В современном искусстве.
В 2000-е годы Сачико Кодама (японская художница, физик, автор техники «Ферромагнитная скульптура») создаёт интерактивную выставку, материалом для которой служит ферромагнитная жидкость. Совместив науку и искусство, она заставляет эту жидкость ожить, «задышать», разбрызгаться и соединиться, ощетиниться или вырасти в гладкую башенку – прямо на глазах у зрителей [7].
На сегодняшний день во всём мире продолжается поиск областей, где можно было бы эффективно использовать свойства ферромагнитной жидкости. Существует много перспективных разработок. Например, канадские исследователи работают над созданием зеркал телескопов нового поколения. В США учёные пробуют применять эту жидкость для управления космическими аппаратами, лечение слепоты и рака. 
     У меня возник вопрос, а в Республике Коми эта жидкость или устройства на её основе находят практическое применение?  Мы обратились в Ивановский Государственный Энергетический Университет, в котором впервые в России была получена ферромагнитная жидкость, и в Коми НЦ УрО РАН Институт геологии и Институт химии и получили ответы. В Коми НЦ УрО РАН Институте геологии считают эту жидкость эксклюзивом, а в Коми НЦ УрО РАН Институте химии ведутся работы по получению наноразмерных магнитных частиц из которых можно получать данные системы. (Приложение 1)                                                      

 

 


3.    ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1.    Получение ферромагнитной жидкости.
Способов получения ферромагнитной жидкости много. Все они основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с применением, сложного оборудования которого в школьной лаборатории нет. Поэтому в своей работе я использовала более простой способ получения опубликованный и запатентованный отечественными учеными Андреевым Е.В., Оноприенко Т.А., Долженко Л.В., Голодняком В.А., КафтановымА.З. в 1993году [8]. 
Первый вариант. 
Растворила в 250 мл воды 12 грамм FeCl3 и 6 грамм FeSO4.  Полученный раствор отфильтровала на воронке в колбу, для отделения механических примесей. В вытяжном шкафу к раствору осторожно, тонкой струёй влила 50 – 100 мл аммиачной воды и интенсивно взболтала. Коричневато – оранжевый раствор, мгновенно превратится в суспензию черного цвета. После долила  воды и поставила колбу с образовавшейся смесью на постоянный магнит на пол часа.  После того как образованные частицы магнетита под действием сильного магнитного поля выпали на дно колбы, осторожно слила около двух третьей раствора, удерживая осадок магнитом и снова залила в колбу воду. Раствор взболтала и опять поставить на магнит. Операцию повторяла до тех пока, pH раствора не достигло 7,5 – 8.  После того как последний промывной раствор на две трети слила, загущенную суспензию отфильтровала, через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок черного цвета смешала с 3,5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты.  Смесь поместила в фарфоровую ступку и подогреть до 80°С на электрической плитке, хорошо перемешивая, в течении 1 часа.  Полученную «патоку» черного цвета охладила до комнатной температуры, долила 25 –30 мл воды и тщательно размешала. Получила ферромагнитную жидкость. (Приложение 2 фото 1-9)
Реакция В.Элмора:
FeSO4•7H2O + 2FeCl3•6H2O + 8NH3•H2O = Fe3O4 + 6NH4Cl + (NH4)2SO4 + 17H2O
При получении ферромагнитной жидкости таким способом я установила ряд недостатков:                                                                                                      - длительность, получение проводится в несколько стадий;            
- экологическая загрязненность, так как отделяющая водная фаза содержит непрореагировавший аммиак, который берется в избытке.

Второй вариант. 
Учитывая недостатки первого варианта изменила ход работы. После добавления аммиачной воды и получения суспензии черного цвета добавила небольшое количество хозяйственного мыла. Смесь поместила в фарфоровую ступку и нагревала до получения однородной массы.  Перелила полученную ферромагнитную жидкость в чашку Петри для следующих опытов. (Приложение 3  фото 1-3)
Схема процесса:

 

 

 


Преимуществом второго варианта является:
- затрачивается меньше времени
- ферромагнитная жидкость более подвижна.
Вывод: 
Я считаю, что второй вариант является оптимальным для получения в условиях школьной лаборатории.
3.2.    Эффект Тиндаля
Для того, чтобы удостоверится, что ферромагнитная жидкость, представляет собой коллоидную систему я решила проверить её на эффект Тиндаля. 
Эффект Тиндаля (англ. Tyndall effect) — оптический эффект, рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне [9].
Добавила в воду ферромагнитной жидкости и тщательно перемешала раствор. Пропустила через колбу с полученным раствором луч света от лазерной указки. Лазерный луч проходит через раствор ферромагнитной жидкости оставляя светящуюся дорожку. (Приложение 3  фото 4,5) 
Вывод:
 Ферромагнитная жидкость представляет собой коллоидную систему.    
    
3.3.    Взаимодействие магнитной жидкости с магнитным полем 
Получившуюся ферромагнитную жидкость испытала магнитным полем. Интересно, что по своим свойствам она напоминает "жидкий металл" который реагирует на магнитное поле. Движение жидкости удалось наблюдать в пробирке, стеклянной трубочке, в чашке Петри, в полиэтиленновой трубочке, на предметном стекле, в фарфоровой ступке. (Приложение 4 фото 1-6)                                                                                Самое быстрое движение наблюдалось в полиэтиленовой трубочке. Жидкость, в чашке Петри и фарфоровой ступке заметно вспучивалась при поднесении магнита, но не покрывалась шипами. Красивые эксперименты с ферромагнитной жидкостью увиденные в сети Internet [10] мне воспроизвести не удалось. 
Вывод:
Ферромагнитная жидкость реагирует на магнитное поле и по свойствам напоминает "жидкий металл".
              
       3.4. Изготовление «магнитной» бумаги
Вырезала из фильтровальной бумаги сердце, пропитала его магнитной жидкостью и высушила. Наночастицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей магнитные свойства – бумага непосредственно притягивается к магниту. (Приложение 5  фото 1-2)      
Вывод:
Получила «магнитную» бумагу.                             
3.4.    Исследование поведения магнитной жидкости в нефти 
Узнав о том, что ферромагнитная жидкость используется для удаление нефтяной плёнки с поверхности водоёма. Я решила провести опыт. В чашку Петри налила немного воды и добавила нефть. Потом сверху на нефть капнула ферромагнитной жидкости. Под действием магнитного поля ферромагнитная жидкость начинает стягиваться к магниту, смешиваясь с нефтью, а поверхность воды постепенно очищается. (Приложение 5  фото 3-5)                                            
Вывод:
Так как ферромагнитная жидкость смешиваясь с нефтью реагирует на магнитное поле, её можно использовать для очистки водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах и катастрофах.

 


3.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты моего исследования подтвердили гипотезу, имея простые реактивы можно получить ферромагнитную жидкость с хорошими магнитными свойствами в школьной лаборатории. Проведённый анализ способов получения позволил выбрать оптимальную методику.  С получившейся ферромагнитной жидкостью были проведены удачные опыты, доказывающие что она, представляет собой коллоидную систему, реагирует на магнитное поле, пропитывается бумагой, а смешиваясь с нефтью, удаляется с поверхности воды с помощью магнита. Также я узнала, что применение ферромагнитных жидкостей – одно из перспективных направлений будущего! 
  Я уверена, что именно эти жидкости улучшат жизнь людей, помогут человеку более продуктивно работать с техникой и совершать новые открытия!

Далее смотреть архив материала

Категория: Материалы конференции обучающихся "Алые паруса" | Просмотров: 266 | Добавил: admin | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]