Получение и исследование свойств коллоида трехвалентного
advertisement
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г.Астрахани «Средняя общеобразовательная школа №36» Исследовательская работа на тему: «Получение и исследование свойств коллоида трехвалентного железа» Работу выполнила: Штонда Лариса, ученица 11А класса Руководитель: Мальцева Елена Михайловна учитель химии. Астрахань 2014 1 Оглавление Введение………………………………………………………………………2 1. Что такое магнитная жидкость……………………………………….4 2. История открытия магнитной жидкости…………………………….6 3. Свойства магнитных жидкостей………………………………………7 4. Получение магнитной жидкости в лаборатории и исследование её свойств…………………………………………………………………..9 4.1. Получение магнитной жидкости (коллоида трехвалентного железа)…………………………………………………………….9 4.2. Опыты с магнитной жидкостью…………………………………12 5. Применение магнитных жидкостей…………………………………….15 6. Заключение ……………………………………………………………….25 7. Литература………………………………………………………………..26 8. Приложение,………………………………………………………………27 2 Введение Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, в последние годы привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении давнего времени, и хорошо известно, какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. С интенсивным развитием науки в последние десятилетия и стремительно ворвавшимся в научную лексику термином «нано», магнетизм наноразмерных объектов оказался едва ли не самой «горячей» наряду с фуллеренами и углеродными нанотрубками темой в научных журналах. Магнитные наноматериалы, к которым относятся магнитные нанопорошки, молекулярные магниты, магнитные жидкости, обладают огромным потенциалом и несут в себе если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений. К магнитному полю неравнодушны - притягиваются или отталкиваются - все вещества. Но на большинство оно действует настолько слабо, что это удается обнаружить только приборами. А можно ли усилить магнитные свойства материала? К примеру, инженеры давно мечтают о системах, которые позволили бы придать некоторым веществам или телам магнитные свойства, при этом, абсолютно не разрушая их структуры и мало изменяя их исходные свойства. Наш рассказ о магнитных жидкостях. Лет пятьдесят назад была запатентована оригинальная конструкция механической муфты - устройства для передачи вращения от одного вала к другому. Муфта содержала смесь железного порошка и масла. Под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим по катушке, жидкость "твердела", и тогда два вала начинали работать как единое целое. При отсутствии же поля крутящий момент не передавался. Все бы 3 хорошо, не будь такая жидкость капризной: то в ней появлялись комки, то она вдруг не хотела твердеть. Потому магнитные порошковые муфты долго не находили применения. Все изменилось, когда за дело взялись химики и создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок. Так что же это такое - магнитная жидкость? И как её получают? Можно ли сделать её самостоятельно в нашей школьной лаборатории? Цель работы - получить в школьной лаборатории и исследовать свойства коллоида трехвалентного железа. Задачи: 1.Теоретически изучить строение, природу и свойства коллоида трехвалентного железа 2.Выяснить способы практического получения коллоида трехвалентного железа. 3.Получить коллоид трехвалентного железа в лаборатории и исследовать её свойства. 4.Познакомится с практическим применением коллоида трехвалентного железа - магнитной жидкости. Гипотеза: «Коллоид (золь) трехвалентного железа называют магнитной жидкостью. Она обладает свойствами железа (намагничивается) и, следовательно, обладает действием магнитооптического затвора» Актуальность работы подтверждает широкое применение магнитной жидкости. Оно основано на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Ее используют в самых различных областях: в машиностроении, получении электрической энергии, в медицине, в оборонной, космической промышленности и других областях. 4 «Величие человека состоит в его мысли» Блез Паскаль. 4.Что такое магнитная жидкость. Магнитные жидкости - продукт нанотехнологий. Магнитные жидкости (МЖ) – ультрадисперсные (со средним диаметром нм) устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. В качестве дисперсной фазы используют малые частицы таких металлов как железо, кобальт, никель, гадолиний, их разнообразные ферриты, ферромагнитные окислы. Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного дипольдипольного и ван-дер-ваальсовского взаимодействий и последующего укрупнения частиц, в качестве стабилизаторов применяют поверхностноактивные вещества (ПАВ) типа олеиновой кислоты. Адсорбируясь на поверхности микрокристаллических дисперсных частиц ПАВ образуют защитную оболочку, представляющую из себя своеобразный структурномеханический барьер. Вследствие малого размера частиц МЖ она не расслаивается и сохраняет свою однородность практически неограниченное время. Итак, мы выяснили, что магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами. 5 Магнитная жидкость является средой, сочетающей магнитные свойства с хорошей текучестью. Важной особенностью ферромагнитных коллоидов, в отличие от большинства известных магнитных систем, является свобода поступательного движения магнитных частиц, которая может быть причиной структурных превращений, связанных с одновременным изменением характера магнитного упорядочения и пространственного расположения частиц в слое жидкости. Наблюдаемые в магнитной жидкости магнитомеханические, магнитооптические и электрофизические явления во многом определяются свойствами малых частиц, их взаимодействием во внешних полях и структурным состоянием системы. Широкий выбор жидких основ разработанных магнитных жидкостей (вода, керосин, синтетические и минеральные масла, перфторированные эфиры, глицерин и т.п.) может обеспечить реализацию магнитного управления работой многих технических устройств и технологических процессов. Исследование таких жидкостей имеют большое теоретическое значение, так как связаны с решением фундаментальных физико-химических проблем, а также практическое значение, так как способствуют их применению в машиностроении, электронике, медицине, космической технике. Разработка устройств, с применением МЖ основанные на взаимодействии их с внешним магнитным полем, воздействующим на внутреннюю структуру коллоидной системы. Поэтому наряду с разработкой новых применений МЖ ведутся теоретические и экспериментальные исследования их физических и физико-химических характеристик, которые, в свою очередь, определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием во внешних полях. Научные достижения в этой области стали возможны за счет комплексного подхода, с применением классических методов статистической термодинамики, молекулярной оптики, физики магнитных явлений, физической химии, механики сплошных сред. 6 2. История открытия магнитной жидкости. Магнитные жидкости 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 поверхностноактивным 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 большинстве развитых стран мира. 7 активно изучают в 3. Свойства магнитных жидкостей Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью – в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц, которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, оптических и реологических свойств раствора. Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать их в прикладных задачах. 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. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько 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. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная 8 структура из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. При чем, чем, сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. В большинстве своём, магнитные жидкости имеют сильно выраженную чёрную окраску в объёме, благодаря присутствию в них в качестве высокодисперсной магнитной фазы магнетита. Однако известны магнитные жидкости, в которых магнитная высокодисперсная фаза может быть представлена частицами другого происхождения (гамма-оксида железа, ферритов марганца, кобальта, цинка и никеля); в этом случае МЖ могут иметь окраску от тёмно-коричневой до оранжево-жёлтой, а при соблюдении некоторых особых условий их синтеза удаётся получить магнитные высокодисперсные системы очень широкого спектра цветов и оттенков. Добавление в магнитные коллоидные системы некоторых специальных красителей позволяет изменить окраску МЖ, что нашло широкое применение в печатной промышленности при создании магнитных красок и чернил. 9 4. Получение магнитной жидкости в лаборатории и исследование её свойств Все мы привыкли к магнитам в твёрдом состоянии. А как получить жидкий магнит? На первый взгляд всё довольно просто, надо только измельчить какойнибудь ферромагнитный материал и поместить его в жидкую среду. Однако всё оказалось не так просто: взвесь порошка в жидкости оседала, так как частицы оказывались очень тяжёлыми. Лишь в 60-х годах прошлого века удалось получить настолько малые частицы, что, будучи засыпанными в смесь керосина и олеиновой кислоты, они не стали выпадать в осадок. Оказалось, что полученная жидкость обладает довольно интересными свойствами. Прежде всего, такая жидкость является уже не ферромагнетиком, а сильнейшим парамагнетиком. Синтез магнитной жидкости включает в себя несколько стадий: стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях. Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. У нас не было такого оборудования и мы воспользовались более простым способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. 4.1. Получение магнитной жидкости (коллоида трехвалентного железа) 1.Сначала мы собрали все необходимые предметы для нашего опыта. 10 Для этого необходимо иметь следующее оборудование и химическую посуду: Аптечные весы с набором разновесов. Две колбы (с круглым или плоским дном). Химический стакан. Фильтровальную бумагу и воронку. Достаточно сильный магнит, желательно кольцевой (из динамика). Небольшую (лабораторную) электроплитку. Фарфоровый стаканчик на 150–200 мл. Термометр с диапазоном измерения температуры до 100°С. Индикаторную бумагу. Для получения более качественной магнитной жидкости потребуется маленькая настольная центрифуга (на 4000 об/мин). Кроме того, необходимы следующие реагенты: Соли двух- и трёхвалентного железа (хлорные или сернокислые). Аммиачная вода 25%-ной концентрации (нашатырный спирт). Натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло) в качестве ПАВ. Дистиллированная вода. Затем в лаборатории химического факультета АГУ мы приготовили исследуемое вещество. Предварительно произвели расчеты: 1) В составе магнетита Fe3O4 (FeO·Fe2O3) Fe(II) и Fe(III) находятся в соотношении 1:2. Были рассчитаны массы солей необходимых для приготовления растворов. M(FeSO4·7H2O) = 278 г/моль M(FeCl3·6H2O) = 270,5 г/моль. Для приготовления растворов взяли 0,01 моль FeSO4·7H2O (2,78 г) и 0,02 мольFeCl3·6H2O (5,41 г). 2) Приготовили 5%-ный раствор сульфата железа(II) и 5%-ный раствор хлорида железа(III). Для этого рассчитали массу и объём воды, которую 11 необходимо добавить к солям для получения 5%-ных растворов и массы растворов. При расчете учитывали наличие кристаллизационной воды в составе солей. • 0,05 = 1,52/ 2,28 + m1(H2O); m1(H2O) = 27,62 г; m1 (раствора) = 30,4 г • 0,05 = 3,25/5,41 + m2(H2O); m2(H2O) = 59,6 г; m2(раствора) = 65 г 1. Смешали 30 г 5%-ного раствора сульфата железа(II) и 65 г 5%-ного раствора хлорида железа(III). Разбавили до 500мл дистиллированной водой. (Пр. рис.1) 2. Полученный раствор отфильтровали на воронке в другую колбу через фильтровальную бумагу для отделения механических примесей. (Пр. рис. 2) 3. В первую колбу, предварительно промыв её водой, залили около 100– 150 мл аммиачной воды(25%) (работу проводили под тягой). 4. Очень осторожно, тонкой струёй влили из второй колбы отфильтрованный раствор в первую, содержащую аммиачную воду, и интенсивно взболтали её. Коричневато-оранжевый раствор мгновенно превратился в суспензию чёрного цвета.(Пр. рис. 3) Долили немного дистиллированной воды и поставили колбу с образовавшейся смесью на постоянный магнит на полчаса. (Пр. рис 4) 5. После того, как образовавшиеся частицы магнетита в виде «дождя» под действием сил магнитного поля выпали на дно колбы, осторожно слили около двух третей раствора в канализацию, удерживая осадок магнитом, и снова залили в колбу дистиллированную воду. Хорошенько её взболтали и опять поставили на магнит. Операцию повторяли до тех пор, пока pH раствора не достиг 7.5–8.5 (нежно-зелёная окраска индикаторной 12 бумаги фирмы «Лахема» при смачивании её промывным раствором). (Пр. рис.5) 6. После того, как последней промывной раствор на две трети слит, загущённую суспензию отфильтровали через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок чёрного цвета смешали с 7.5 граммами натриевой соли олеиновой кислоты. (Рис. 6, 7) 7. Смесь поместили в фарфоровый стаканчик и прогрели до 80°С на электрической плитке, хорошо перемешивая, в течение часа. 8. Полученную «патоку» температуры. Долили чёрного цвета охладили до комнатной 50–60 мл дистиллированной воды и тщательно размешали получившуюся коллоидную систему.(Рис. 8) 9. Разведённую водой «патоку» нужно было подвергнуть центрифугированию при 4000 об/мин в течение одного часа или ещё раз поставить стаканчик с ней на кольцевой магнит. (Данную операцию мы не проводили) 4.2. Опыты с магнитной жидкостью. Взаимодействие магнитной жидкости с магнитным полем. Опыт №1. Перелили полученную магнитную жидкость в чашку Петри и поднесли снаружи магнит. (Пр. Видео) Наблюдение: жидкость потянулась за ним. Переместили магнит под чашку Петри. Магнитная жидкость, налитая в чашку Петри значительно вспучивалась при поднесении под неё магнита, но не покрывалась «шипами».(Пр. рис.9) 13 Если налитую в чашу Петри магнитную жидкость поднести к магниту так, чтобы магнитные линии входили в неё вертикально, то на её поверхности «вырастают» шипы, жидкость становится похожей на ежа. Знаменитый опыт «с ежом», описанные в частности в книге «Нанохимия и нанотехнологии», авторы – В.В.Ерёмин, А.А.Дроздов(М.:Дрофа,2009,с.43), нам удалось воспроизвести только с готовой магнитной жидкостью МФ-01(производитель - ООО НПО «Сантон»). Для этого налили магнитную жидкость тонким слоем в чашку Петри и поднесли к ней один магнит, затем несколько магнитов. Жидкость меняем свою форму, покрываясь «шипами», напоминающими колючки ежа.(Пр. рис. 10) Вывод: Данную форму можно объяснить тем, что она стабилизирует возмущения, вызванные магнитным полем, и силы поверхностного натяжения и тяжести. Опыт №2. Эффект Тиндаля. Добавили в дистиллированную воду немого магнитной жидкости и тщательно перемешали раствор. Пропустили через стакан с дистиллированной водой и через стакан с полученным раствором луч света от лазерной указки. Лазерный луч проходит через воду, не оставляя следа, а в растворе магнитной жидкости оставляет светящуюся дорожку.(Пр. рис. 11) Вывод: Основа появления конуса Тинделя- рассеяние света коллоидными частицами, в данном случае частицами магнетита. Опыт№3. Изготовление «магнитной» бумаги Взяли кусочки фильтрованной бумаги, пропитали их магнитной жидкостью и высушили. Бумага непосредственно притягивалась к магниту. (Пр. рис. 12) Вывод: Наночастицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей слабые магнитные свойства. Опыт №4. Удаление с поверхности воды загрязнений из машинного масла. 14 В воду налили немного машинного масла, затем добавили небольшое количество магнитной жидкости. После тщательного перемешивания дали смеси отстояться. Магнитная жидкость растворилась в машинном масле. Под действием магнитного поля пленка из машинного масла с растворённой в нём магнитной жидкостью начинает стягиваться к магниту. Поверхность воды постепенно очищается.(Пр. рис. 13) Вывод: Магнитной жидкостью можно удалять с поверхности воды загрязнения из машинного масла. Опыт №5. Сравнение смазочных свойств машинного масла и смеси машинного масла с магнитной жидкостью Поместили в чашки Петри машинное масло и смесь машинного масла с магнитной жидкостью. Поместили в каждую чашку постоянный магнит. Наклоняя чашки, перемещали магниты и наблюдали за скоростью их перемещения. В чашке с магнитной жидкостью магнит перемещался несколько легче и быстрее, чем в чашке с машинным маслом. (Пр. рис 15) Вывод: Магнитная жидкость способна снижать трение. Магнитоуправляемость МЖ позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля. 15 5. Применение магнитной жидкости. А теперь поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости. Все они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. 1. Магнитная жидкость в качестве клапана. Начнем с самого простого. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники - краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прервать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Хотя их делают уже давно, ни один кран надежным не назовешь: его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе (3). В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном. 2. В машиностроении 1)Магнитно-жидкостные муфты сцепления. 16 А вот еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива.! 2)Амортизаторы. Правильный подбор амортизаторов в настройке подвески автомобиля – процесс сложный и компромиссный. Близкая к спортивным характеристикам жесткая подвеска гарантирует минимальные крены и желаемый контакт с дорожным покрытием. И это хорошо. Но такие устройства представляли собой сложнейшие гидравлические системы, работающие под высоким давлением и регулирующие характеристики работы амортизаторов посредством изменения давления масла в рабочем цилиндре. В настоящее время им на смену пришли иные устройства, позволяющие изменять характеристики работы амортизаторов посредством электрических клапанов, причем как в ручном, так и в автоматическом режиме. (Приложение. Рис.№4) В качестве примера можно привести систему CDC (Continuous Damping Control – непрерывный контроль демпфирования) фирмы ZF, использованную на автомобиле Opel Astra. Здесь применена схема обычного двухтрубного амортизатора с газовым подпором. Регулировка усилия на сжатие и отбой осуществляется посредством двух электромагнитных амортизатора и клапанов, внутри установленных самого поршня. сбоку в нижней Процессорное части управление отслеживает множество параметров (скорость, вертикальное ускорение каждого колеса, угол поворота руля и т. д.) и регулирует жесткость по каждому из амортизаторов в отдельности. Есть и куда более изящная разработка, имеющая, на наш взгляд, весьма радужные перспективы. В прошлом году компания General 17 Motors представила магнитные амортизаторы на моделях Cadillac Seville и Chevrolet Corvette. Совместно с корпорацией Delphi была разработана система MRC (Magnetic Ride Control – магнитный контроль перемещения). В данной системе отсутствуют привычные способы регулировки усилия. Всю работу берет на себя магнитно-реологическая жидкость. Эта жидкость работает как и в обычных амортизаторах, но при этом под воздействием электромагнитного поля, генерируемого специальными электромагнитными катушками, она способна менять свою вязкость. Причем менять с частотой 1000 раз/сек, и регулировка происходит фактически мгновенно. Реакция системы занимает всего одну миллисекунду. Нет ни двигателей, ни соленоидов, ни каких бы то ни было сложных клапанных систем. Такой магнитный амортизатор проще своих классических «коллег», но, к сожалению, пока не дешевле. Виной тому все еще высокая стоимость устойчивых к расслоению магнитно-реологических жидкостей с достаточно широким температурным диапазоном работы. Но очень похоже, что будущее за подобной схемой. Уж очень много преимуществ. Упрощаются сам амортизатор и подвеска. Исключается необходимость в стабилизаторах поперечной устойчивости. 3)Герметизация подвижных валов. Разработан новый оригинальный способ герметизации подвижных валов машин (уплотнения зазора между корпусом и валом) с помощью магнитной жидкости, находящейся между областями с разным давлением. Применение нового способа введения и удержания магнитной жидкости между корпусом и валом достигается за счет использования магнитного поля. В предлагаемой технологии достигается высокая степень герметичности, низкие потери на трение и, за счет этого, значительная экономия дорогостоящего сырья и энергетических ресурсов. В традиционных герметизаторах допускается утечка текучей среды. Также они отличаются большими потерями на трение. Данная технология характеризуется простотой и надежностью, возможностью герметизации различных сред, используемых в промышленном производстве. Кроме того, магнитная 18 жидкость материалов на основе служит машинных прекрасным масел или смазочно-охлаждающих герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз. 3.Получение электрической энергии. Преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью. Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии (в данном случае - с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. Подобное устройство может снабжать энергией миниатюрный радиоприемник или электронные часы. Оно способно преобразовывать удары капель дождя по крыше в электрический ток и получать таким образом даровую энергию. 4. Магнитная сепарация руд. Явление плавания тяжелых тел под действием неоднородного магнитного поля, погруженных в магнитную жидкость, позволило использовать магнитные жидкости в горно-обогатительных процессах. Неоднородное магнитное поле приводит к уплотнению магнитной жидкости, вследствие чего всплывают немагнитные частицы высокой плотности медные, свинцовые, золотые. Поскольку неоднородность магнитного поля легко изменять в широких пределах, можно заставить плавать частицы определенной плотности. Это стало основой для создания технологии магнитной сепарации руд по плотностям. Смесь частиц различной плотности падает на слой магнитной жидкости, висящий между полюсами электромагнита. Ток в электромагните можно подобрать так, чтобы легкие 19 частицы смеси всплывали в магнитной жидкости, а тяжелые - тонули. Если установить полюса электромагнита наклонно, легкие частицы станут двигаться вдоль поверхности слоя и процесс разделения смеси станет непрерывным: тяжелые частицы провалятся сквозь слой магнитной жидкости и попадут в один приемник, а легкие частицы скатятся по ее поверхности в другой (Приложение. Рис№6) . 6.Охлаждение и очищение зоны обработки металлов. Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности. 7.Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. 1) Целевое введение противоопухолевых препаратов. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и 20 лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму (Приложение. Рис.№7). 2)В рентгеноскопии. Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Все процедуры при этом существенно упрощаются. (Приложение. Рис№7) 8. В креативных часах. Karim Zaouai творчески подошел к использованию научных знаний и разработал концепт (ферромагнитной) часов жидкостью Ferrowatch вместо с стрелок. магниточувствительной В креативных часах Ferrowatch магнитная жидкость зажата между стеклом и циферблатом. Магнитный заряд заставляет перетекать жидкость и показывать текущее время (часы и минуты). Для появления инновационного продукта еще предстоит преодолеть различные технические проблемы. (Приложение Рис.№8) 9.Жидкие уплотнители. 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 от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм (примерно от 20 до 30 кПа), но такие уплотнители не очень 21 годятся для узлов с поступательным движением (например, поршней), так как жидкость механически вытягивается из зазора. 10. Для отвода тепла от звуковой катушки. Ферромагнитная жидкость также используется во многих динамиках высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки 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. Одновременно она работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс. 11.Для уменьшения трения. Магнитная жидкость способна снижать трение. Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением. 12.В оборонной промышленности. 1)Радиопоглощающее покрытие. Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета. 2)«Жидкая броня» Известно, что для защиты тела человека от проникающего действия пуль и осколков используются бронежилеты различной конструкции. Обычно в чешуйчатой конструкции бронежилетов применяется набор стальных или титановых пластин, керамические плитки многослойные кевларовые пакеты. Металлические или или же керамические пластины существенно утяжеляют жилет, а кевлар теряет свою прочность 22 при намокании. У всех бронежилетов чешуйчатого типа есть существенные недостатки: они громоздки, неудобны и малоэффективны, поскольку не защищают все тело человека. Разработанные недавно технологии «жидкой брони» позволяют, вопервых, формировать бронежилет практически любого сложного профиля и тем самым решить проблему тотальной защиты всего тела, а, во-вторых, обеспечить максимальную эластичность и комфортность применения. Материал имеет два состояния — эластичное в неактивном состоянии и сверхтвердое, когда защита «включена». В первой жидкость находится в оболочке между двумя слоями прочной ткани и не испаряется. Она способна стать сверхпрочным панцирем за миллисекунды под воздействием внешнего «возбудителя»: пули, ножа и т. п. Давление удара при попадании пули будет распределено по большой площади, поскольку, чем больше сила удара, тем больше площадь «затвердевания» жидкости. В результате человек почувствует только толчок, эквивалентный отдаче при выстреле. Это позволит создавать легкие бронежилеты, полностью защищающие всю площадь тела человека. (Приложение Рис.№9) 13.В космической промышленности. 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. Еще её используют для стабилизации температуры космического корабля. Вместо того чтобы вращать его вокруг своей оси(используя при этом энергию), под его корпусом проложена система труб с МЖ, которая за счёт своей теплопроводимости обеспечивает равномерную температуру по всему кораблю. Высокая коллоидная стабильность во времени, в гравитационном поле, а также в градиентных и постоянных магнитных полях обусловило применение МЖ в магнитожидкостных 23 узлах герметизации. Магнитожидкостные уплотнения имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными, особенно при герметизации вращающихся валов. Они обеспечивают полную герметичность, выдерживают высокий перепад давления (один барьер выдерживает перепад давления до 2,5 атм), долговечны, имеют малые потери на трение, нечувствительны к погрешностям размеров и формы герметизируемых деталей, не требуют смазки. МЖ на водной основе можно использовать в качестве коммутирующих элементов токосъемников. В космической отрасли впервые магнитожидкостные уплотнения были применены для уплотнения выходного вала электромеханического привода в 1976 году и успешно используются до настоящего времени. В настоящее время для космической отрасли разработаны разнообразные виброзащитные устройства. Это: динамические гасители колебаний панелей солнечных батарей; демпферы-виброизоляторы для полезных нагрузок космических аппаратов (КА); амортизаторы транспортных контейнеров для КА. 14. Термомагнитная конвекция. 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. 15.Генерирование ультразвука. 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. 24 Заключение. Гипотеза нашла свое подтверждение: коллоид (золь) трехвалентного железа, называемый магнитной жидкостью, обладает свойствами железа (намагничивается) и следовательно, обладает действием магнитооптического затвора. Широкое применение коллоида побуждает производить данную жидкость в промышленный масштабах. Магнитная жидкость (ферромагни́тная жи́дкость, феррофлюид) представляет собой устойчивую коллоидную систему, состоящую из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. С помощью эффекта Тиндаля (опыт 2) нам удалось доказать наличие в магнитной жидкости частиц нанометрового размера. Используя методики, описанные в литературе и интернет-источниках, нам удалось получить магнитную жидкость (коллоидный раствор магнетита Fe3O4 в воде) методом химической конденсации. Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью – в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Опыты по взаимодействию магнитной жидкости с магнитным полем (опыт 1) подтвердили её высокую магнитную отзывчивость. Магнитные жидкости (МЖ) – это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии. Магнитные жидкости легко взаимодействуют с различными материалами, поэтому могут быть использованы для изменения их магнитных свойств. Это вывод подтверждает опыт по изготовлению «магнитной бумаги» (опыт 3). 25 Магнитная жидкость хорошо растворяется в нефтепродуктах, поэтому может быть использована для их удаления с поверхности водоемов (опыт 4). МЖ на основе масла эффективнее снижают трение по сравнению с тем же маслом (опыт 5), поэтому их используют в качестве магнитных смазок. Проблемы получения магнитных жидкостей и применения их в различных областях современной науки и техники, биологии и медицины являются, безусловно, актуальными. Спрос научно-технических работников к магнитным жидкостям постоянно растёт, но, к большому сожалению, эти тенденции имеют место, в основном, за рубежом. «Это очень просто, мои дорогие!» А.Эйнштейн. 26 Литература: 1. Стёпин Б. Д., Аликберова Л. Ю., "Книга по химии для домашнего чтения", М.: Химия, 1994г.; 2. Алексинский В. Н.; "Занимательные опыты по химии", М.: Просвещение, 1995г. 3. Еремин В.В., Дроздов А.А. Нанохимия и нанотехнологии. 10-11 классы. Профильное обучение. Учебное пособие – М.:Дрофа, 2009 4.Контарев А.В., СтадникС.В., Лешуков В.А. Применение магнитныхжидкостей // Успехи современного естествознания. – 2006. – № 10 – с. 67 Веб-сайты: 3.http://www/zircom81/narod.ru 4.http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/ 5.http://kmf.math.usu.ru/index.php/sciens/43 6.http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=16989 7.http://magneticliquid.narod.ru/autority/012.htm 8.http://www.future-weapons.ru/2011-11-06-10-10-00/2011-11-06-10-18-16/432011-11-06-14-17-57 27 Приложение. Рис. 1. Рис.2 28 Рис. 3 Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6 29 Рис. 7. Рис. 8 30 Рис. 9 Рис. 10 Рис. 11 рис. 12 31 Рис. 13. Рис. 15 32 33