Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Новосибирска «Лицей №113» Направление: научно-техническое Секция: физика Магнитная жидкость Автор: Путря Антон, ученик 9А класса Консультант проекта: Небожак Татьяна Владимировна учитель физики Новосибирск 2023 1 Содержание: Введение ...................................................................................................................3 1. Теория поведения ферромагнитной жидкости во внешнем магнитном поле…………………………………………………………………………………3 1.1. Ферромагнетик во внешнем магнитном поле……………………………4 1.2. Поверхностное натяжение и поведение ферромагнитной жидкости…6 2. Экспериментальное выявление свойств ферромагнитной жидкости…9 2.1. Выявление ферромагнитных свойств жидкости……………………..9 2.2. Измерение силы взаимодействия ферромагнитной жидкости с постоянным магнитом…………………………………………………………10 2.3. Экспериментальное обнаружение зависимости формы свободной поверхности магнитной жидкости от магнитной индукции внешнего магнитного поля постоянного магнита и электромагнита……………….11 Заключение………………………………………………………………………13 Источники информации………………………………………………………..14 Приложение………………………………………………………………………15 2 Введение Магнитная жидкость – это жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Магнитные жидкости состоят из маленьких частиц ферромагнитной пыли размером приблизительно 10 нанометров. 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. Мне стало интересно изучить поведение магнитной жидкости во внешнем магнитном поле, выявить параметры самой магнитной жидкости. Таким образом, цель работы определена так: Изучение поведения магнитной жидкости во внешнем магнитном поле. Задачи: 1. Изучить теорию магнитного поля, теорию поверхностного слоя жидкости. 2. Провести эксперимент, демонстрирующий поведение магнитной жидкости. 3. Исследовать зависимость формы поверхности магнитной жидкости от магнитной индукции внешнего поля. 1. Теория поведения ферромагнитной жидкости во внешнем магнитном поле Для исследования была приобретена ферромагнитная жидкость. Применяется ферромагнитная жидкость в области машиностроения, так как жидкость способна значительно снижать трение. Многие автомобильные компании используют жидкость в качестве корректировщика упругости подвески. Также, магнитная жидкость используется в области электроники. Так, магнитная жидкость используется в высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки и одновременно она работает механическим демпфером, 3 подавляя нежелательный резонанс. Также магнитная жидкость используется в генераторах для генерации ультразвука. Состав ферромагнитной жидкости (из источников): керосин (58%), оксид железа (18%), масло синтетическое (22%), стабилизатор полимерный (2%). 1.1. Ферромагнетик во внешнем магнитном поле Необходимо ввести общеизвестные определения: 1. Магнитное поле – это вид материи возникающей вокруг движущихся заряженных частиц. 2. Линии магнитного поля – линии, которые обозначают направление магнитного поля, касательные к которым являются векторным направлением магнитной индукции. 3. Магнитная индукция – векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Формула, по которой вычисляется модуль магнитной индукции: , где В – это магнитная индукция, F – это сила Ампера, l – это длина проводника с током, на который действует сила Ампера, I – это сила тока идущая по проводнику с током. 4. Сила Ампера – это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током. Формула по который вычисляется сила ампера: , где В – это магнитная индукция, I – это сила тока в проводнике на который действует сила Ампера, l – это длина проводника с током, а угол α – это угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике. Рассмотрим теорию ферромагнетизма. В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо 4 парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, то есть свойство кристаллов железа. Прежде всего на это указывает зависимость магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение. Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами. Таков, например, сплав Гойслера, почти не уступающий по своим магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабомагнитных металлов, как медь (60 %), марганец (25 %) и алюминий (15 %). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75 % железа и 25 % никеля почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства. Ферромагнитные вещества отличаются от парамагнитных не только весьма большим значением магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность находит свое выражение в явлении гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы. Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно друг другу. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля не намагниченным. Под влиянием внешнего поля происходит перестройка и перегруппировка таких «областей самопроизвольного намагничивания», в результате которой 5 получают преимущество те области, намагничивание которых параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным. Рассмотрим теорию диамагнетизма. В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками. Но жидкий ферромагнетик будет иметь особенности в поведении во внешнем магнитном поле, так как кроме магнитных сил, на поверхностный слой будут действовать и силы поверхностного натяжения 1.2. Поверхностное натяжение и поведение ферромагнитной жидкости В учебнике Савельева поверхностный слой жидкости рассматривается как слой молекул, взаимодействующих друг с другом. Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Поскольку взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние r как мы уже знаем, называется радиусом молекулярного действия, а сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Радиус молекулярного действия имеет величину порядка нескольких эффективных диаметров молекулы. 6 Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних с ней молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия, центр которой совпадает с данной молекулой. Равнодействующая всех этих сил для молекулы, находящейся от поверхности жидкости на расстоянии, превышающем r, очевидно в среднем равна нулю . Иначе обстоит дело, если молекула находится на расстоянии от поверхности, меньшем чем r. Так как плотность пара (или газа, с которым граничит жидкость) во много раз меньше плотности жидкости, выступающая за пределы жидкости часть сферы молекулярного действия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы. В результате на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r, будет действовать сила направленная внутрь жидкости. Величина этой силы растет в направлении от внутренней к наружной границе слоя. Молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной энергией, которая входит составной частью во внутреннюю энергию жидкости. Поскольку положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жидкость, предоставленная самой себе, будет принимать форму с минимальной поверхностью, т. е. форму шара. Обычно мы наблюдаем не жидкости, «предоставленные самим себе», а жидкости, подверженные действию сил земного тяготения. В этом случае жидкость принимает форму, соответствующую минимуму суммарной энергии — энергии в поле сил тяготения и поверхностной энергии. При увеличении размеров тела объем растет как куб линейных размеров, а поверхность — только как квадрат. Поэтому пропорциональная объему тела энергия в поле тяготения изменяется с размерами тела быстрее, чем поверхностная энергия. У малых капель жидкости преобладающую роль играет поверхностная энергия, вследствие чего такие капли имеют форму, близкую к сферической. Большие капли жидкости сплющиваются под действием сил тяготения, несмотря на то, что поверхностная энергия при этом возрастает. 7 Большие массы жидкости принимают форму сосуда, в который они налиты, с горизонтальной свободной поверхностью. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Жидкость ведет себя так, как если бы она была заключена в упругую растянутую пленку стремящуюся сжаться. Следует иметь в виду, что никакой пленки, ограничивающей жидкость снаружи, на самом деле нет. Поверхностный слой состоит из тех же молекул, что и вся жидкость, и взаимодействие между молекулами имеет в поверхностном слое тот же характер, что и внутри жидкости, Дело заключается лишь в том, что молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Выделим мысленно часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Тенденция этого участка к сокращению приводит к тому, что он действует на граничащие с ним участки с силами, распределенными по всему контуру (по третьему закону Ньютона внешние участки поверхностного слоя действуют на рассматриваемую часть поверхности с силами такой же величины, но противоположного направления). Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Обозначим силу поверхностного натяжения, приходящуюся на единицу длины контура, через Ϭ. Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения. Измеряют ее в ньютонах на метр (в СИ) . Величина коэффициента поверхностного натяжения зависит от природы жидкости и от условий, в которых она находится, в частности от температуры. Кроме того, коэффициент поверхностного натяжения Ϭ равен свободной энергии, приходящейся на единицу поверхности жидкости. Поэтому его можно выражать не только в ньютонах на метр (или динах на сантиметр), но и в джоулях на квадратный метр (соответственно в эргах на квадратный сантиметр), 8 В таблице приведены значения Ϭ для некоторых жидкостей при комнатной температуре. Вещество Ртуть 0,490 Вода 0,073 Бензол 0,029 Спирт 0,023 Керосин 0,024 Примеси сильно сказываются на величине поверхностного натяжения. Так как наша жидкость – это соединение керосина и ферромагнитных частиц, коэффициент поверхностного натяжения этой жидкости не приведен в данной таблице. С повышением температуры различие в плотностях жидкости и ее насыщенного пара уменьшается. В связи с этим уменьшается и коэффициент поверхностного натяжения. Fн – это сила поверхностного натяжения, l – это длина поверхностного слоя жидкости. Из определения коэффициента поверхностного натяжения следует, что Fн = σ*l. 2. Экспериментальное выявление свойств ферромагнитной жидкости 2.1. Выявление ферромагнитных свойств жидкости. Гипотеза: Магнитная жидкость является ферромагнитом из-за наличия в ней ферромагнитных частиц, следовательно она будет иметь собственное магнитное поле. Экспериментальная установка: индукции лаборатории Pasco. магнитная жидкость, датчик магнитной Мы провели измерения магнитной индукции датчиком лаборатории вблизи магнитной жидкости и на расстоянии 20 см от неё. Для учета действия магнитного поля Земли, мы обнулили показания датчика после измерения магнитной индукции на расстоянии 20 см от ферромагнитной жидкости. ( данные на этом расстоянии были в пределах 0,05 мТл, что соответствует магнитной индукции магнитного поля Земли). Вблизи магнитной жидкости мы 9 зафиксировали величину магнитной индукции 0,16 мТл, что значительно больше магнитной индукции магнитного поля Земли. Гипотеза подтвердилась. Магнитная жидкость имеет свое магнитное поле, схраняя намагниченность в отсутствии дополнительного влияния магнитов. 2.2. Измерение силы взаимодействия ферромагнитной жидкости с постоянным магнитом. Для того, чтобы измерить силу притяжения между магнитной жидкостью и постоянным магнитом, была собрана экспериментальная установка, состоящая из рычага, датчика силы лаборатории PASCO, пузырька с магнитной жидкостью и постоянного магнита. Мы уравновесили пузырек с жидкостью на рычаге и обнулили датчик силы. Затем приступили к измерениям силы. На минимальном расстоянии от дна пластикового пузырька с жидкостью мы зафиксировали, что магнитная жидкость притягивалась к постоянным магнитам с силой (0,21 ± 0,01)Н, это означает, что магнитная жидкость проявляет ферромагнитные свойства. В дальнейшем мы продолжили наблюдение за поведением поверхностного слоя жидкости. Как известно из теории, на границе жидкость – твердое тело может наблюдаться эффект смачивания либо несмачивания жидкостью твердой поверхности. Мы помещали ферромагниную жидкость в пластиковый контейнер круглой формы. Вдоль стенок жидкость на основе керосина смачивает пластик. (стекло не смачивается). Мы заметили, что если жидкость попадает на кожу рук, она очень быстро растекается по поверхности руки. При помещении жидкости в магнитное поле можно наблюдать искривление поверхностного слоя. При изменении магнитной индукции внешнего 10 магнитного поля искривление поверхности принимает вид так называемых «холмов». Мы решили установить некоторые закономерности образования этих «холмов». 2.3. Экспериментальное обнаружение зависимости формы свободной поверхности магнитной жидкости от магнитной индукции внешнего магнитного поля постоянного магнита и электромагнита. Гипотеза: Будут образовываться «холмы». При увеличении внешнего магнитного поля увеличивается число «холмов» и высота пиков магнитной жидкости Экспериментальная установка: постоянный магнит, датчик магнитной индукции лаборатории Pasco, магнитная жидкость, штатив. Мы размещали магниты под дном контейнера с магнитной жидкостью, изменяя и измеряя расстояние между дном и магнитами. Магнитную индукцию мы измеряли датчиком, находящимся на зафиксированном расстоянии от поверхности жидкости. Наблюдения за поверхностью мы наблюдали и фиксировали её изменения (Приложение 1). Расстояние до Магнитная индукция Наблюдение за поверхностью магнитов постоянного магнита, см. Тл. 1,5 0,0060 10 «холмов» фото 1 2 0,0050 5 «холмов» фото 2 2,5 0,0033 «холм» фото 3 3 0,0020 Нет «холмов» фото 4 3,5 0,0014 Нет «холмов» фото 5 Гипотеза подтвердилась частично: «холмы» образовались, число «холмов» растет при увеличении внешнего магнитного поля, изменения высоты пиков не наблюдалось. Можно заметить, что при удалении магнитов на расстояние около 3 см от дна контейнера мы перестали наблюдать образование «холмов», но измерения показывают наличие индукции магнитного поля. Величина магнитной индукции при этом близка к индукции собственного магнитного поля магнитной жидкости, которую мы определили в первом эксперименте. Далее мы решили провести наблюдения за поверхностью жидкости при помещении её в магнитное поле, созданное электромагнитом. 11 Регулируя силу тока, мы более плавно могли менять индукцию магнитного поля, мы наблюдали искривление поверхности ферромагнитной жидкости. При этом при малых токах (для нашего эксперимента от 0,3А до 1 А) мы наблюдали образование вогнутого мениска на поверхности. (фото 6). При увеличении силы тока ( а значит и магнитной индукции) начали образовываться «холмы» (фото 7). Как объяснить такое интересное поведение ферромагнитной жидкости? Начнем со слабых магнитных полей. Ферромагнитные частицы в жидкости благодаря поверхностно активным добавкам связаны с частицами керосина, именно керосин составляет большую часть в данной жидкости. В слабом внешнем магнитном поле ферромагнитные частицы притягиваются к полюсам внешнего магнита, керосин смачивает поверхность стенок контейнера. Мы наблюдаем вблизи стенок подъем жидкости, а в центре вогнутый мениск. При увеличении магнитной индукции внешнего магнитного поля (например при приближении жидкости и магнита) таких вогнутых менисков будет становиться все больше. Это и выглядит, как увеличение числа «холмов». Высота вершин «холмов» растет до некоторого конечного предела, силы поверхностного натяжения керосина стремятся сократить свободную поверхность слоя ферромагнитной жидкости. Скорее всего, высота «холмов» даже уменьшается при возрастании внешнего магнитного поля, ведь ферромагнитная жидкость не может значительно увеличивать свободную поверхность, это бы привело к разрывам и выбросам вещества с поверхности. 12 Итак, «холмы» образуются из-за того, что магнитные частицы в жидкости выстраиваются по линиям внешнего магнитного поля, но силы поверхностного натяжения (силы притяжения между молекулами керосина) не позволяют увеличиваться площади поверхностного слоя. Малая высота пиков объясняется тем, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости стечь вдоль ферромагнитных частиц, так как она стремится сделать поверхность жидкости наиболее ровной. Заключение Во время изучения свойств магнитной жидкости, изучили историю открытия ферромагнитной ферромагнитов, диамагнитов жидкости, и теорию поверхностного магнитных натяжения. явлений, Узнали экспериментально магнитную индукцию собственного магнитного поля жидкости и его наличие. Наблюдали зависимость поведения поверхности магнитной жидкости во внешнем магнитном поле от силы внешнего магнитного поля. Доказали, что жидкость проявляет ферромагнитные свойства и выявили, что высота вершин «холмов» растет до некоторого конечного предела, силы поверхностного натяжения керосина стремятся сократить свободную поверхность слоя ферромагнитной жидкости. Малая высота пиков объясняется тем, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости стечь вдоль ферромагнитных частиц, так как она стремится сделать поверхность жидкости наиболее ровной. Изучение поведения поверхностного слоя ферромагнитной жидкости является очень интересной проблемой не только материаловедения, но может моделировать и некоторые процессы в фотосфере звёзд. 13 Источники информации: 1. Савельев И.В. Курс общей физики, том I. – М.: Главная редакция физикоматематической литературы, 1987. 2. Свойства ферромагнитов [Электронный ресурс]. – URL: https://scienceforum.ru/2018/article/2018001997?ysclid=lcmxska7qh614116068 (дата обращения 22.01.23) 3. История открытия магнитной жидкости [Электронный ресурс]. – URL: https://studopedia.ru/11_69969_istoriya-otkritiya-ferromagnitnoy-zhidkosti.html (дата обращения 2.04.23) 14 Приложение 1 2 15 3 4 16 5 6 7 17
