Магнитная жидкость это: МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ | Наука и жизнь – Резной Палисад — Центр народных художественных промыслов и ремесел

Содержание

МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ | Наука и жизнь

Удивительную жидкость, которая притягивается к магниту, образуя что-то вроде ежа, можно получить самостоятельно.

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Строго говоря, 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 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 (1).

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?

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 (2).

Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и 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. А поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. А пока поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости.

Все они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. 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.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

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. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным 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!

А преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (4).

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.

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 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 (5).

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.

Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. 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 лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму (6).

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.

А теперь выполняем обещание, данное в начале статьи, – даем рецепт водной магнитной жидкости (самой простой в изготовлении среди известных). Запаситесь аптечными весами с разновесами, двумя колбами, химическим стаканом, фильтровальной бумагой и воронкой, хорошим (желательно кольцевым – из динамика) магнитом, небольшой электрической плиткой и фарфоровым стаканчиком на 150-200 мл. Для получения качественной магнитной жидкости необходимо иметь маленькую настольную центрифугу. У вас под рукой должны быть соли двух-и трехвалентного железа, аммиачная вода (25%-ной концентрации), натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло), индикаторная бумага фирмы “Лахема” и дистиллированная вода. Цифры приведены в расчете на 10 граммов твердой магнитной фазы (магнетита) магнитной жидкости.

Получив магнитную жидкость, раскрепостите свою фантазию. Придумайте с нею физический опыт, сделайте занимательную игрушку. Пришлите в редакцию рассказ о своей работе с цветными иллюстрациями. Самые интересные отчеты будут опубликованы. Желаем удачи!

Магнитные жидкости: ТЕХНОЛОГИЯ | ИГЭУ

Магнитные жидкости: ТЕХНОЛОГИЯ

Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой уникальные системы, сочетающие в себе свойства магнитного материала и жидкости с возможностью управления реологическими, теплофизическими и оптическими характеристиками магнитным полем. Сочетание этих свойств, не встречающееся в известных природных материалах, открыло широкие перспективы для создания технических устройств с магнитной жидкостью в качестве рабочего тела.

Многолетний повышенный интерес к МЖ со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого использования привели к тому, что к настоящему времени наука о магнитных жидкостях стала самостоятельной, чрезвычайно интересной и практически полезной областью исследований, находящейся на стыке физической химии коллоидов, физики магнитных явлений и магнитной гидродинамики. По мере изучения всего многообразия физико-химических свойств магнитных жидкостей и поведения МЖ при изменении внешних факторов спектр их практического применения в различных областях науки и техники расширяется, а потребность в стабильных магнитных жидкостях всё больше возрастает.

Что же такое магнитная жидкость? И так ли легко её синтезировать?

Магнитная жидкость представляет собой коллоидную систему однодоменных магнитных частиц (дисперсная фаза), диспергированных в жидкости-носителе (дисперсионная среда). При получении магнитной жидкости необходимо решить несколько задач:

– во-первых, необходимо получить частицы магнетиков размером не более 8 – 15 нм;

– во-вторых, необходимо покрыть частицы дисперсной фазы слоем молекул стабилизатора;

– в-третьих, стабилизатор должен не только предотвращать слипание частиц, но и обеспечивать образование устойчивой коллоидной системы однодоменных магнитных частиц, диспергированных в жидкости-носителе.

На бумаге все выглядит довольно просто, однако, любой химик, когда-либо занимавшийся синтезом магнитных жидкостей, знает, что создать устойчивую магнитную жидкость, которая не только завораживала бы взгляд, поражая своим поведением в магнитном поле, но и выполняла бы свои функции в конкретном устройстве – чрезвычайно сложная задача, если не сказать – проблема. Сложно представить, но для создания магнитных жидкостей необходимо взвесить твердые частицы с плотностью более 5 г/см³ в жидкости-носителе с плотностью 1 г/см³ или менее.

Универсального подхода к синтезу магнитных жидкостей на разных жидкостях-носителях нет. Разработчики магнитных жидкостей во всем мире используют собственные подходы к синтезу. Более того, каждый разработчик использует для синтеза магнитных жидкостей вещества, выпускаемые химической промышленностью той страны, в которой он работает. Эффективность технологий синтеза оценивается по достижению основных физических характеристик: коллоидальная стабильность в течение длительного времени, намагниченность насыщения, вязкость, диапазон рабочих температур. Стабильность свойств магнитной жидкости во времени – основной показатель её качества.

Нашей группе (ПНИЛ ПФГД) удалось разработать и воплотить в жизнь собственные оригинальные технологии синтеза магнитных жидкостей, которые не уступают по своим техническим характеристикам лучшим зарубежным аналогам, а по некоторым характеристикам (намагниченность насыщения, диапазон рабочих температур, срок эксплуатации) и превосходят их. На это потребовалось более 30 лет кропотливой работы.

В настоящее время мы выпускаем магнитные жидкости на основе:

– силоксановых жидкостей;

– углеводородов;

– минеральных углеводородных масел;

– синтетических углеводородных масел;

– фторорганических жидкостей;

– воды и других полярных носителей.

Для синтеза каждого типа магнитных жидкостей мы используем дифференцированный подход. Для достижения необходимого результата меняются технологические параметры синтеза; количество, последовательность и назначение стадий синтеза; специально подбираются комплексные поверхностно-активные вещества и т.д.

Все типы магнитных жидкостей прошли жесточайшие испытания на стендах; их стабильность проверена временем, а качество – работой в конкретных электромеханических устройствах. В зависимости от конкретного предложения мы синтезируем магнитные жидкости с необходимыми техническими характеристиками: намагниченностью насыщения, плотностью, вязкостью, диапазоном рабочих температур.

Перечень областей применения магнитных жидкостей может быть значительно расширен за счет изучения уникальных свойств наших МЖ. Поэтому мы призываем к взаимовыгодному сотрудничеству научно-исследовательские институты, конструкторские бюро, предприятия различных отраслей промышленности, а также всех заинтересованных в изучении и внедрении магнитных жидкостей лиц.

Проблемная научно-исследовательская лаборатория прикладной феррогидродинамики (ПНИЛ ПФГД)

Из чего сделана ферромагнитная жидкость?

Феррофлюид одновременно похож на металл и жидкость. Если к нему поднести магнит, он может собраться в комок, выпустить иголки и «поползти» вверх по стенке стакана. Из чего делают это вещество? Почему магнитные поля так на него влияют? Ответить на эти вопросы и самому провести эксперимент с феррофлюидом смогут посетители экспозиции Политехнического музея «Россия делает сама», открывшейся в павильоне №26 на ВДНХ.

Ферромагнитная жидкость, или феррофлюид, способна реагировать на магнитные поля. Под их воздействием капли могут двигаться и принимать разную форму. Чаще всего они становятся похожи на морских ежей или миниатюрные горные цепи. Это происходит из-за того, что в феррофлюиде есть крошечные частицы магнетита, гематита или других материалов, которые содержат железо. Размеры этих частиц очень малы: порядка 10 нанометров и меньше, так что они равномерно распределяются в несущей жидкости, что и обеспечивает реакцию феррофлюида на приближение магнитов.

В качестве несущей жидкости обычно используется органический растворитель или вода. Чтобы феррофлюид получился устойчивым, а частицы магнетита или гематита не слипались, в него также добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ). У молекул этих веществ есть полярная «головка» и неполярный «хвост» (или наоборот). Один конец частицы ПАВ прикрепляется к частице содержащего железо материала, а другой – к молекулам несущей жидкости. Благодаря этому феррофлюид может долго сохранять стабильность. В качестве поверхностно-активных веществ обычно используются олеиновая, полиакриловая или лимонная кислота, соевый лецитин и другие вещества.

Феррофлюиды не только замечательно выглядят, но и оказываются очень полезны в самых разных областях. Например, они используются в генераторах рентгеновского излучения, акустических колонках, компьютерных жестких дисках и электрических моторах.

В разделе «Радио +» экспозиции «Россия делает сама», открывшейся в павильоне №26 на ВДНХ, представлена капсула с феррофлюидом и магнитный кубик, на приближение которого он реагирует.

Время работы экспозиции:
вт.-пт.: 10:00 — 20:00
сб.-вс.: 10:00 — 21:00
пн. – выходной день
Кассы закрываются за час до окончания работы выставки.
Стоимость билетов: 150−300 р.

Получение и применение ферромагнитной жидкости

Веклич А.В,
Ерушевич Д.А,
Борисов Р.А,
Рачек В.Б.
Институт инженерной физики и радиоэлектроники СФУ
660074, Красноярск, ул. Киренского 26.
E-mail: [email protected]

В данной статье рассматриваются способ получения ферромагнитной жидкости, спектр ее применения на производстве.

Ключевые слова: Ферромагнитная жидкость, феррофаза.

This article discusses a method for producing a ferromagnetic fluid, the spectrum of its application in the workplace.

Keywords: Ferrofluid, ferrophase.

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они 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 это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Для обеспечения устойчивости ФЖ частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил. Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «супермагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости. Ферриты-химические соединения оксида железа Fe₂O₃c оксидами других металлов.

Рассмотрим принцип получения ферромагнитной жидкости.

Выделим основные задачи:

1) получить высокодисперсные частицы феррофазы;

2) стабилизировать их в жидкости-носителе.

Оценки показывают, что для обеспечение устойчивости МЖ, необходимо обеспечить получение частиц ферромагнетика размером 500- 2000 нм. Достичь таких размеров можно или измельчая крупные частицы мaгнетика, или же выращивая их из молекулярных размеров до коллоидных. Второй очень важной технолoгической особенностью получения магнитных жидкостей, высоко дисперсных магнитных материалов является защита коллоидных частиц от окисления и предотвращения агломерации и коагуляции как в процессе получения, так и при переводе частиц в коллоидное состояние в жидкости-носителе. Наиболее успешно эта задача решается путем получения высокодисперсных частиц непосредственно в жидкости-носителе и стабилизации их ПАВ в момент или сразу после их образования. Условием эффективной стабилизации частиц является совместимость феррофазы, стабилизатора и дисперсионной среды, при этом наилучшими стабилизаторами оказываются такие вещества, которые хорошо адсорбируются на поверхности частиц феррофазы, а свободной частью своей молекулы хорошо растворяются в жидкости-носителе. Этим условиям обычно хорошо отвечают вещества с длинной углеводородной цепочкой (C10-C20) содержащие функциональные группы (-OH, -NH₂, -COOH, SO₃H и т.д.). Способы получения коллоидных систем МЖ можно разделить на методы диспергирования и методы конденсации.

Для получения МЖ в химической лаборатории использовался метод конденсации высокодисперсного магнетита, в основе которого лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде: FeSO₄*7H₂O + 2FeCl₃*6H₂O + 8NH₃*H₂O → Fe₃O₄ + 6NH₄Cl + (NH)₂SO₄ + 20H₂O

Реактивы: FeSO₄*7H₂O; FeCl₃*6H₂O; 25%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода, мыло.

Предложенные для проведения эксперимента массы веществ были уменьшены в четыре раза.

1. В дистиллированной воде растворить FeSO₄*7H₂O и FeCl₃*6H₂O (при слабом подогреве и несильном помешивании).

2. Полученный раствор отфильтровать в другую колбу для отделения от механических примесей.

3. Залить в чистую колбу 25%-ный раствор аммиака.

4. Тонкой струей влить отфильтрованный раствор в колбу с «аммиачной водой» при интенсивном помешивании. Коричнево-оранжевый раствор мгновенно превращается в суспензию черного цвета.

5. Долить к получившемуся раствору немного воды и поставить колбу с образовавшейся смесью на магнит на 30 мин.

6. После выпадения частиц магнетита на дно колбы (под действием сил магнитного поля), крайне осторожно слить около 2/3 раствора, придерживая осадок магнитом. Снова залить дистиллированную воду в колбу, в таком же количестве, и хорошо перемешивая раствор. Поставить колбу на магнит. Повторять эти действия до тех пор, пока pH сливного раствора не станет нейтрален.

7. Получившуюся суспензию отфильтровать и собрать осадок.

8. Осадок смешать с заранее полученным ПАВ.

9. Нагревать полученную смесь в течение часа (t=80˚C), хорошо перемешивая.

10. Охладить полученную смесь до комнатной температуры. Добавить дистиллированной воды и тщательно размешать.

Разведенную в воде смесь поставить на магнит на несколько часов, после чего ферромагнитная жидкость готова.

Магнитные жидкости (MЖ) — это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекyчими магнитoуправляемыми свойствами с широкими перспективам применения в технике, медицине, экологии. MЖ обладает всеми преимуществами жидкого материала — малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость МЖ позволяет удерживать ее в нужном месте устройства под действием магнитного поля. Сейчас для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую. Рассмотрено некоторые наиболее интересные и перспективные области применения магнитной жидкости.

Сформируем вывод о проделанной работе.

Магнитные жидкости, обладают, огромным потенциалом и несут в себе, если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений.

Список литературы

Арефьев И.М. «Применение магнитных жидкостей. Магнитная смазка». Москва: Наука, 2000г.
Берлин М.А., Грабовский Ю.П., Соколенко В.Ф., Пиндюрина Н.Г. Некоторые вопросы технологии получения ферромагнитных жидкостей, Иваново, 1981г.
Контарев А.В., Стадник С.В., Лешунков В.А. «Применение магнитных жидкостей. Успехи современной науки», 2006г.
Северцев Л.Г. Статья «Магнитные жидкости — яд для рака!» Журнал «Молекулярная медицина» № 3, 2003г.
Сенатская И.И., Байбуртский Ф.С. «Жидкость, которая твердеет в магнитном поле» Химия и жизнь, 2002г.

от проектов NASA к жидкостному охлаждению динамиков / Хабр

Среди изобретений, применяемых в современной электроакустике, особый интерес представляет ферромагнитная жидкость. Сегодня на YouTube можно увидеть немало красивых фокусов с ее использованием, но дело даже не в этом. Появление этой жидкости было напрямую связано с разработкой космической техники.

Несмотря на своё происхождение, сегодня это изобретение применяется во вполне земных устройствах, начиная от жестких дисков и заканчивая

жидкостными компьютерами

и крайне

своеобразными часами

, о которых уже писали на GT. Жидкость востребована в электронике, машиностроении, медицине, оборонке и массе других областей. Под катом я расскажу, как появилось это изобретение для космоса, как оно используется в электроакустике и какие споры ведутся любителями аудио вокруг его применения.

История создания и отказ от использования

Ферромагнитную жидкость создал американский ученый Стив Папелл более 50 лет назад. В то время Папелл работал инженером в NASA и участвовал в разработке двигателей для космических аппаратов.

Стив Папелл и ферромагнитная жидкость

Разработчик столкнулся с проблемой — нужно создать систему, которая заставляла бы топливо из бака перемещаться к отверстию, через которое насос закачивает его в камеру сгорания. Если речь идёт о жидком топливе, то в условиях невесомости жидкость свободно левитирует в баке.

Для решения задачи ученый решил применить оригинальную идею — сделать топливо магнитным, смешав его с какой-нибудь массой, обладающей магнитными свойствами. Таким образом, с применением внешних магнитов, можно будет легко управлять топливом в баке.

Для реализации такого механизма управления лучше всего подходила жидкая субстанция. Через несколько недель экспериментов Папелл подарил миру ферромагнитную жидкость. Для создания своей жидкости ученый использовал двойной оксид железа магнетит (Fe₃O₄), который он измельчал, смешивая олеиновой кислотой и затем добавляя органические растворители.

После завершения техпроцесса получалась коллоидная суспензия, которая содержала взвесь частиц магнетита размером 0,1 — 0,2 микрона, в соотношении: 5% частиц магнетита, 10 % модификатора, 75% растворителя (например, масло). Молекулы олеиновой кислоты использовались как модификатор, который не позволял слипаться частицам оксида.

Изобретение инженера было запатентовано в 1965-м году US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles).

Изобретение Папелла было с восторгом принято его коллегами по научному сообществу и космическому агентству, позволило его имени остаться в истории физики. Однако, несмотря на интерес, NASA так и не использовало его идеи, главным образом потому, что было отдано предпочтение твердому ракетному топливу. Дальнейшие эксперименты с ферромагнитной жидкостью в NASA касались систем стабилизации корабля в пространстве.

Созданная Папеллом жидкость, оценивается как очень весомый вклад — этим изобретением он заложил основу одной из новых отраслей физического знания — феррогидродинамике. Дальнейшие разработки и внедрение ферромагнитной жидкости в производственную практику велись под руководством коллеги Папелла по NASA, Рона Розенцвейга. Работы проводились в корпорации AVCO, которая ставила целью коммерческое применение этого изобретения.

Рон Розенцвейг и ферромагнитная жидкость

Динамики с жидкостью

Сложно сказать, какая компания начала первой использовать ферромагнитную жидкость для производства динамиков. Компания SONY стала первым массовым производителем звуковых излучателей с ферромагнитной жидкостью, применив её для создания ВЧ-драйверов и широкополосников в 2012-м году. Сегодня, по данным

www.czferro.com

, более 300 млн динамиков в год выпускаются с применением феррофлюида.

Жидкость применяется для отвода тепла от звуковой катушки, а также выступает в качестве дополнительного демпфера, который гасит паразитные резонансы. В существующих сегодня конструкциях ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре между катушкой и магнитом благодаря воздействию магнитного поля, выполняя роль центрирующей шайбы.

В классической конструкции динамиков шайба, обеспечивающая центрирование и амортизацию звуковой катушки, напрямую связывает её (катушку) с диффузором. Исследования, проведенные в SONY, показали, что традиционная конструкция вносит больше искажений.

Дело в том, что шайба фактически выступает как второй диффузор и, соответственно, создает колебания. Устранение шайбы сводит к нулю её влияние на звуковоспроизведение. При использовании жидкости возможно уменьшение расстояния между катушкой и диффузором, что позволяет свести к минимуму потери при передаче колебаний, сделать динамик более плоским и компактным (при сохранении прежнего уровня громкости).

Жидкость обеспечивает прирост громкости от 2 дБ и на 35% снижает энергопотребление. Соответственно, конструкция повышает КПД динамика, при этом обеспечивая дополнительное демпфирование. Эффекты жидкости, позволяющие увеличить демпфирование и снизить резонансы такого динамика, были исследованы уже в 21-м веке aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.345854.

“Мокрые” против “сухих”

Появление нового типа динамиков ожидаемо вызвало реакцию в среде людей небезразличных к аудиоаппаратуре. Как водится, разгорелись дискуссии, где мнения аудиофилов, меломанов и прочих сочувствующих разделились.

Традиционалисты, “попробовав” новшество, отметили ухудшение динамических (и в особенности “микродинамических”) характеристик. Критики особенно часто упирают на субъективные ощущения при прослушивании и авторитет своего экспертного опыта в аудио. Сторонники инновации отметили снижение искажений, более высокую верность воспроизведения и высокую громкость (учитывая размеры динамиков), при отсутствии объективных данных о том, чем плоха жидкость.

Дошло даже до того, что некоторые “смелые экспериментаторы” стали удалять жидкость из зазора и рассказывать о том, что “звук стал значительно лучше” (я устал комментировать такие вещи, поэтому как факт).

Кто-то также усиленно пытался культивировать стереотип о том, что динамики с жидкостью устанавливают только в бюджетную аппаратуру, что также не соответствует действительности.

С шедеврами логики по этой теме от некоторых “умудренных жизненным опытом” любителей аудио образца 2012-го года можно ознакомиться здесь.

Со своей стороны хочу предостеречь желающих удалить жидкость из динамиков своей аудиосистемы, телевизора или ноутбука. Инженеры производителей не идиоты, и, если бы они хотели применить конструкцию с шайбой, они бы это сделали. Не являюсь большим экспертом в “микродинамике”, но вероятно, что любые динамические изменения при использовании жидкости будут находиться в пределах величин, которыми можно пренебречь (если вообще будут).

Итог

Ферромагнитная жидкость одно из интереснейших изобретений прошлого столетия, внедрение которого только начинается. Её использование вместо центрирующей шайбы — одна из самых заметных и значимых инноваций в производстве динамических излучателей за последние 10 лет. Возможно, статья кому-то покажется однобокой, но мне не удалось найти весомых аргументов в пользу того, что жидкость “вредит звуку” или как-то его портит. Если такие факты существуют — делитесь в комментах. Но пока, на мой взгляд — это исключительно благо.

В качестве завершения рекомендую к просмотру несколько потрясающе красивых роликов с ферромагнитной жидкости.

Занятые визуальные эффекты и скульптуры из ферромагнитной жидкости:

Часы:

Использованы изображения:
www.czferro.com
www.sony.co.in
www.parts-express.com
www.hifinews.ru
www.samwha.com

Джинса

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент акустических систем высокой верности воспроизведения.

Физика.Ферромагнитная жидкость

Федоров Е.О. 1

1МБОУ Лицей №1 г.Балтийска

Белоногова С.А. 1

1МАОУ СОШ № 19 г. Калининграда

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Цель:приготовить ферромагнитную жидкость и изучить её свойства.

Задачи:

Узнать о ферромагнитной жидкости (вид неньютоновской жидкости).

Приготовить ферромагнитную жидкость.

Провести эксперименты для изучения её свойств.

Узнать её применение.

Сделать выводы.

Представить результаты.

Гипотеза: в домашних условиях можно приготовить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства.

Область применения результатов: участие в научно-исследовательских конкурсах

Актуальность: Магнетизм – это физическое явление, при котором материалы оказывают притягивающую или отталкивающую силу на другие материалы на расстоянии. Планета Земля имеет два магнитных полюса и собственное магнитное поле. Магниты – важная часть нашей повседневной жизни. Магниты являются существенными компонентами таких устройств, как электрические двигатели, динамики, компьютеры, проигрыватели компакт-дисков, микроволновые печи и, конечно, автомобили. Магниты используются в датчиках, приборах, производственном оборудовании, научных исследованиях. Ферромагнитная жидкость – один из видов неньютоновской жидкости. Это искусственно созданная жидкость. Эта жидкость меняет свойства при определенных условиях которыми может управлять человек.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть

Магнитные жидкости – это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами.

В 1963 году сотрудник NASA Стив Папелл изобрел ферромагнитную жидкость. Он решал вполне определенную задачу: как в условиях невесомости заставить жидкость в топливном баке ракеты подходить к отверстию, из которого насос перекачивал топливо в камеру сгорания. Тогда-то Папелл и придумал нетривиальное решение — добавлять в топливо какую-нибудь магнитную субстанцию, чтобы с помощью внешнего магнита управлять перемещением топлива в баке. Так на свет появилась ферромагнитная жидкость.

Минимальный состав ферромагнитой жидкости: ферромагнетик (например, мелкие частицы магнитного металла) и растворитель (например, различные масла). Но такая жидкость будет оседать. Чтобы этого не происходило, необходимо добавить модификатор поверхности (вещество, которое не даёт ферромагнетику слипаться, например лимонная кислота). Ферромагнитные жидкости изучает раздел науки коллоидная химия.

Магнитная жидкость обладает всеми преимуществами жидкого материала – малым коэффициентом трения в контакте с твердым телом, возможностью проникать в микрообъемы, способностью смачивать практически любые поверхности и др. В то же время, магнитоуправляемость магнитной жидкости позволяет удерживать её в нужном месте устройства под действием магнитного поля.

2.2 Практическая часть:

В практической части работы я пробовал сделать ферромагнитную жидкость и посмотреть как она изменяется в присутствии магнита.

2.2.1 Материалы и инструменты:

– тонер-порошок, девелопер, железная стружка, магнитный порошок;

– машинное масло, подсолнечное масло;

– лимонная кислота;

– неодимовые магниты: из обычного жесткого диска для компьютера, из звукового динамика, приобретенный в специализированном магазине неодимовое магнит-кольцо;

– флакон, воронка, разные поверхности, полиэтиленовый пакет, перчатки, палочка;

– блокнот для записей, ручка, фотоаппарат, ноутбук.

2. 2.2 Опыт № 1 Получение ферромагнитной жидкости из тонер-порошка и машинного масла

В глобальной сети Интернет есть множество сайтов, на которых описан способ получения ферромагнитной жидкости из тонер-порошка и машинного масла в пропорции одна третья тонер порошка, остальное машинное масло. Я взял тонер-порошок для лазерных принтеров brother и машинное масло. Смешал в пластиковой бутылке. После смешивания, я поднес магнит и ничего не произошло. Жидкость получилась, но она не обладала магнитными свойствами. Если бы жидкость обладала магнитными свойствами, она бы затвердела и изменила свою форму при движении магнита. Опыт завершился неудачей.

2.2.3 Опыт № 2 Получение ферромагнитной жидкости из тонер-порошка, девелопера и машинного масла

Из первого опыта я сделал вывод о том, что используемый тонер не является ферромагнетиком. В современных лазерных принтерах для намагничивания краски используется девелопер – специальный магнитный порошок. В получившуюся в первом опыте жидкость я добавил треть объема девелопера. Когда я поднес магнит, жидкость образовала почти незаметный холмик и не затвердела. Получилась жидкость со слабыми ферромагнитными свойствами. Опыт завершился неудачей.

2.2.4 Опыт № 3 Получение ферромагнитной жидкости из железной стружки и машинного масла

После первых двух неудавшихся опытов, я задумался о силе магнита. С помощью которого проверяю наличие магнитных свойств. Для проверки жидкости я использовал два магнита: магнит от звукового динамика и неодимовый магнит из уже не работающего жестко диска для компьютера (HDD). Для того чтобы убедится, что ферромагнитная жидкость не получается из за свойств ферромагнетика в жидкости, а не магнита я добавил в получившийся раствор обычные железные опилки (отходы от работы на слесарном станке). Магнит притянул к стенке все железные элементы жидкости! Магнитные свойства появились, но все то что я смешал уже сложно назвать жидкостью. Опыт снова завершился неудачей.

2.2.5 Опыт № 4 Получение ферромагнитной жидкости из магнитного порошка и подсолнечного масла

Итак, для получения ферромагнитной жидкости нужен хороший ферромагнетик! В специализированном магазине Мир магнитов я приобрел специальный железный магнитный порошок для опытов.

Магнитный порошок	Подсолнечное масло
	На фотографиях вы видите исходные вещества которые я перемешал в пропорции: 1 часть магнитного пороша и 2 части подсолнечного масла и получил ферромагнитную жидкость.

2.2.6 Опыт № 5 Получение ферромагнитной жидкости из магнитного порошка, лимонной кислоты и подсолнечного масла.

Для того чтобы ферромагнитная жидкость не расслаивалась в нее добавляют ПАВ (поверхностно активное вещество). В качестве ПАВ я выбрал лимонную кислоту.

Лимонная кислота	Ферромагнитная жидкость после отстаивания
Через несколько часов моя ферромагнитная жидкость расслоилась, это вы можете увидеть на фотографии. Я добавил одну четвертую ложки лимонной кислоты в качестве ПАВ. Но через несколько часов эта смесь тоже расслоилась.	Эксперимент по созданию не расслаивающейся ферромагнитной жидкости завершился неудачей.

2.2.7 Опыт № 6 Изучение свойств феррмагнитной жидкости. Магнитоуправляемость.

Для изучения свойств полученной жидкости я использовал неодимовый магнит.

Магниты и инструментарий	Когда я поднес магнит к стенке пузырька с ферромагнитной жидкость часть жидкости примагнитилас к стенке, затвердела и изменила свою форму (см. фото)

Когда я положил магнит на дно и перевернул пузырек, все его содержимое стало твердым и не стекало сверху вниз.	Когда я убрал магнит, твердая вещество стало превращаться в жидкость и стекло сверху вниз
С помощью пипетки я перелил часть ферромагнитной жидкости на пластиковый диск	Обратите внимание – это жидкость!!!
Вот что произошло с жидкостью на которую воздействует магнит. Форма похожа на иголки ежика.	При перемещении магнита часть твердой жидкости переместилась вместе с ним, оставшаяся стала принимать жидкую форму.
Моя младшая сестра захотела сделать ферромагнитного котика у которого может пониматься шерсть дыбом.	На фанерке, оклеенной фольгой, с помощью пластилина я сделал очертания кота и заполнил его с помощью пипетки моей ферромагнитной жидкостью
Вот что получилось при поднесении магнита снизу	…хвост дыбом…
Мой ферромагнитный ежик	Исследуем…..

2.2.8 Опыт № 7 Изучение свойств феррмагнитной жидкости. Способность проникать в микрообъемы(закупорка отверстия)

В последнем эксперименте я пытался понять, как можно с помощью внешнего магнита закрывать отверстия от течи. Для этого я сначала налил мою жидкость в пластмассовую колбу с большим отверстием внизу. Потом поднес магнит к стенке рядом с отверстием и поднял колбу. Затвердевшая под действием магнита жидкость препятствовала вытеканию остальной жидкой части. Как только я убрал магнит, все вытекло из колбы.

2.3 Практическое применение

Применение ферромагнитных жидкостей:

На основе ферромагнитной жидкости делают радиопоглощающие покрытия на самолеты.
Создатели знаменитого Ferrari используют магнитореологическую жидкость в подвеске автомобиля: манипулируя магнитом, водитель может сделать подвеску в любой момент более жесткой или более мягкой.
Ферромагнитная жидкость используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим глушителем, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой
Ферромагнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером.
В качестве рабочего тела в датчиках угла наклона и акселерометрах.
В магнитных сепараторах для разделения и сепарации материалов с различной плотностью. Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным 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. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды. Например, для разделения золота и шлиха.
Для очистки водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах и катастрофах.
Печатающие и чертежные устройства. Есть печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. В краску вносится немного магнитной жидкости, и такая краска выбрызгивается тонкой струйкой на протягиваемую перед ней бумагу. Если струю ничем не отклонять, то будет начерчена линия. Но на пути струйки поставлены электромагниты, подобно отклоняющим электромагнитам кинескопа телевизора. Роль потока электронов здесь играет тонкая струйка краски с магнитной жидкостью – ее-то и отклоняют электромагниты, и на бумаге остаются буквы, графики, рисунки.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы

В домашних условиях можно приготовить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства.
Успех опытов зависит от силы магнита и качества ферромагнетика. В случае применения тонер-порошка или девелопера для принтера надо быть уверенным, что он содержит магнитный порошок.
С помощью магнита можно увидеть некоторые свойства ферромагнитной жидкости и понять как работают разные механизмы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Как сделать ферромагнитную жидкость дома? Викторова Л.
(«НиЖ», 2015, №12) https://www.hij.ru/read/issues/2015/december/5750/
МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ, И. Сенатская, кандидат химических наук Ф. Байбуртский https://www.nkj.ru/archive/articles/4971/ (Наука и жизнь, МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ)
Ферромагнитная жидкость https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C
Феррожидкость — что это и как сделать ферромагнитную жидкость самому http://www.sciencedebate2008.com/ferrofluid/

Просмотров работы: 992

Среди изобретений, применяемых в современной электроакустике, особый интерес представляет ферромагнитная жидкость

Несмотря на своё происхождение, сегодня это изобретение применяется во вполне земных устройствах, начиная от жестких дисков и заканчивая жидкостными компьютерами и крайне своеобразными часами, о которых уже писали на GT. Жидкость востребована в электронике, машиностроении, медицине, оборонке и массе других областей. Под катом мы расскажем, как появилось это изобретение для космоса, как оно используется в электроакустике и какие споры ведутся любителями аудио вокруг его применения.

История создания и отказ от использования

Стив Папелл и ферромагнитная жидкость

Изобретение инженера было запатентовано в 1965-м году US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles).

Рон Розенцвейг и ферромагнитная жидкость

Динамики с жидкостью

“Мокрые” против “сухих”

Дошло даже до того, что некоторые “смелые экспериментаторы” стали удалять жидкость из зазора и рассказывать о том, что “звук стал значительно лучше” (мы устали комментировать такие вещи, поэтому как факт).

Со своей стороны хотим предостеречь желающих удалить жидкость из динамиков своей аудиосистемы, телевизора или ноутбука. Инженеры производителей не идиоты, и, если бы они хотели применить конструкцию с шайбой, они бы это сделали. Не являемся большими экспертами в “микродинамике”, но вероятно, что любые динамические изменения при использовании жидкости будут находиться в пределах величин, которыми можно пренебречь (если вообще будут).

Итог

Ферромагнитная жидкость одно из интереснейших изобретений прошлого столетия, внедрение которого только начинается. Её использование вместо центрирующей шайбы — одна из самых заметных и значимых инноваций в производстве динамических излучателей за последние 10 лет. Возможно, статья кому-то покажется однобокой, но нам не удалось найти весомых аргументов в пользу того, что жидкость “вредит звуку” или как-то его портит. Если такие факты существуют — делитесь в комментах. Но пока, на наш взгляд — это исключительно благо.

В качестве завершения рекомендуем к просмотру несколько потрясающе красивых роликов с ферромагнитной жидкости.

Занятые визуальные эффекты и скульптуры из ферромагнитной жидкости:

Часы:

Магнитные жидкости и микрофлюидика: краткий обзор

Существует два метода приготовления феррожидкостей:

Одностадийный метод: наночастицы изготавливаются непосредственно в базовых жидкостях
Двухэтапный метод: сначала изготавливаются наночастицы, а затем отделяются и повторно диспергируются в базовой жидкости.

Рис. 1: Феррожидкость на отражающей стеклянной пластине под воздействием сильного магнитного поля (Википедия).

Феррожидкости обладают суперпарамагнитными свойствами. Суперпарамагнетизм означает, что частицы намагничиваются, когда присутствует магнитное поле, но когда магнитное поле удаляется, они ведут себя как немагнитные материалы, поскольку у них нет магнитной памяти.

Термомагнитная конвекция в феррожидкостях

Магнитные частицы в феррожидкости достаточно малы, чтобы содержать один магнитный домен, и, следовательно, результирующая намагниченность зависит от температуры. Ниже критической температуры, называемой температурой Кюри (T _C ) , , магнитные моменты феррожидкости ориентированы в одном направлении, что приводит к суммарной намагниченности.Когда температура превышает температуру Кюри, магнитные моменты становятся беспорядочно ориентированными, и феррожидкость теряет свою результирующую намагниченность. Приложенный тепловой градиент, таким образом, приводит к неоднородному намагничиванию, и феррожидкость будет испытывать объемную силу, объемную силу Кельвина , вызывающую течение жидкости вдоль температурного градиента. Эта термомагнитная конвекция может управлять феррожидкостью без насоса [2].

Теплопередача феррожидкостей

Теплопроводность магнитных наночастиц обычно на порядок выше, чем у базовой жидкости.Таким образом, добавление наночастиц значительно увеличивает теплопроводность базовой жидкости. Обычно это количественно проявляется как увеличение теплопроводности или повышение коэффициента конвективной теплопередачи. Дальнейшее повышение коэффициента теплопередачи феррожидкостей наблюдалось при приложении магнитных полей. Считается, что это происходит из-за выравнивания магнитных наночастиц в направлении приложенного магнитного поля, образуя цепочечные структуры, которые обеспечивают теплопроводный путь [3].Эти результаты наблюдались как в условиях принудительной, так и в условиях свободной конвекции теплообмена. Поэтому феррожидкости использовались в качестве теплоносителей, т.е. для охлаждения микроустройств [4].

3. Феррожидкости в микрофлюидных системах

Внешнее магнитное поле, действующее на феррожидкости в микрожидкостных устройствах, может создаваться постоянными магнитами или электромагнитами. Они могут быть расположены вне микрофлюидного устройства или интегрированы в микрофлюидное устройство.Преимущество встроенных магнитов заключается в непосредственной близости к жидкости, что требует более низкой напряженности поля. Однако для этого требуются более сложные этапы изготовления, для которых могут потребоваться чистые помещения.

Феррожидкостный насос

Хэтч и др. [5] представили феррожидкостный насос, в котором пробки из феррожидкости использовались для прокачки неферрожидкостей через микроканалы. Феррожидкость и неферрожидкость должны быть несмешиваемыми. Их устройство состояло из круглого насоса с двумя феррожидкостными заглушками и двумя внешними магнитами, которые управляли движением заглушек.Одна заглушка удерживалась на месте между входом и выходом, действуя как закрытый клапан. Другая пробка таскалась по кругу вращающимся магнитом, служащим поршнем, выталкивающим и втягивающим жидкость в кольцевой канал.

Рис. 2. Принципиальный чертеж круглого феррожидкостного насоса. Черные структуры представляют пробки из феррожидкости, и для их перемещения использовались два магнита (M) (рисунок из Hatch et al. [5]).

Магнитокалорический насос

Магнитокалорический эффект , приводящий к термомагнитной конвекции, описанный ранее в этом обзоре, может быть использован для прокачки жидкости в микрочипе.Любовь и др. [6] сообщил о магнитокалорическом насосе, который использовал только тепловое поле и магнитное поле для управления потоком жидкости в микроканале. Они использовали пробку из феррожидкости с низкой температурой Кюри, которая притягивалась к области магнитным полем. Затем пробка из феррожидкости подвергалась нагреву, и по мере того, как ее температура приближалась к температуре Кюри, магнитное притяжение жидкости ослабевало, и затем более холодная жидкость притягивалась к магнитному полю и вытесняла нагретую жидкость. Это в конечном итоге установит поток, и насос использовался для проталкивания неферрожидкостей через микросистему.Принцип показан на рисунке 3.

Рис. 3. Эффект поля, действующий на феррожидкость в магнитокалорическом насосе (рисунок из работы Лава и др. [6])

Смешивание

Смешивание является ключевой концепцией микрофлюидики, и быстрое перемешивание необходимо для многих биологических и химических анализов. Было предложено несколько стратегий, как пассивных, так и активных, для повышения эффективности перемешивания. Активные смесители обычно обеспечивают лучшую эффективность перемешивания, чем пассивные смесители, но обычно также требуют больше энергии и имеют более высокие затраты на изготовление.Еще одна проблема с активными мешалками — это нагрев Джоулей , который может повредить биологические образцы. Цай и др. [7] разработали простой недорогой Y-образный микросмеситель для изучения смешивания феррожидкости на водной основе с водой. Они разместили постоянный магнит прямо под микроканалом и изменили объемную скорость потока и ширину канала, чтобы повысить эффективность перемешивания. Они обнаружили, что эффективность смешивания феррожидкости и воды под действием постоянного магнита может достигать более 90%, в то время как эффективность смешивания в том же микроканале только за счет диффузии всегда была ниже 15%.Преимущество этого типа магнитного смесителя заключается в том, что он не потребляет энергию и не производит тепло. Были также предложены другие типы магнитных микромиксеров, такие как микроскопические мешалки [8], которые вращаются с помощью обычных мешалок, или магнитофорез магнитных частиц [9].

Рисунок 4. Диффузия между деионизированной водой и феррожидкостью на водной основе (слева) без магнита и (справа) с магнитом (рисунки из Tsai et al. [7])

Образование капель

Капли феррожидкости могут быть получены в микрожидкостных системах с помощью обычных методов формирования капель в Т-образном или фокусирующем поток соединении.Затем с каплями феррожидкости можно манипулировать внешними магнитными полями в несмешивающейся жидкости или на плоских поверхностях или подложках. Тан и Нгуен [10] изучали образование капель феррожидкости в микрофлюидном Т-образном переходе в присутствии магнитного поля, создаваемого небольшим круглым постоянным магнитом. Они обнаружили, что в отсутствие магнитного поля размер капель изменяется линейно в зависимости от скорости потока сплошной фазы. В присутствии магнитного поля размером капель можно было управлять с помощью силы магнитного поля, намагниченности феррожидкости и положения магнита.Размещение магнита перед Т-образным переходом привело к образованию более крупной капли, поскольку магнитная сила оттягивала появляющуюся каплю назад, задерживая ее распад. Размещение магнита ниже по потоку имело противоположный эффект, ускоряя разрушение капли.

Клапаны и уплотнения

Хартсхорн и др. [11] продемонстрировали использование феррожидкостных пробок длиной около 10 мм в качестве компонента клапана и уплотнения в микрожидкостных устройствах, изготовленных из стекла. Они исследовали работу феррожидкостей в качестве пробки в трех различных конфигурациях микрофлюидов; пробковое уплотнение в прямом канале и в качестве Y-образного клапана и в качестве клапана скважины.Они использовали постоянные магниты для управления феррожидкостями. Клапаны могли хорошо открываться и закрываться при низком перепаде давления. При более высоких давлениях они наблюдали некоторую потерю небольших порций феррожидкости, которая уносилась вниз по течению вместе с жидкостью.

Рисунок 5. Принципиальный эскиз феррожидкостных клапанов и уплотнений (рисунок из Hartshorne et al. [11] )

Сортировка и разделение

Выделение целевых частиц из смеси является важным этапом многих биологических анализов.Общий обзор микрожидкостного разделения магнитных частиц можно найти здесь.

Магнитная цифровая микрофлюидика

В цифровой микрофлюидике можно манипулировать каплями жидкости на плоской открытой поверхности без ограничений. Отдельные капли могут действовать как отдельные реакционные камеры для химических или биологических реакций или использоваться для транспортировки реагентов. В магнитной цифровой микрофлюидике каплями, содержащими магнитные частицы, такие как феррожидкости или жидкие шарики, управляют с помощью постоянных магнитов или электромагнитов.Нгуен и др. [14] показали, что неподвижная капля феррожидкости может деформироваться постоянным магнитом, изменяя ее кажущийся краевой угол. Видно, что кажущийся краевой угол уменьшается с увеличением магнитного поля. Они назвали это явление магнитным смачиванием . Магнит помещали под плоскую однородную поверхность, и если магнитная сила была достаточно велика, чтобы преодолеть силу сопротивления трения и капиллярную силу, капля могла скользить по плоской поверхности с той же скоростью, что и магнит.Однако общая проблема с каплями феррожидкости заключается в том, что они несовместимы с водным буферным окружением во многих биоаналитических анализах [15], поскольку буфер дестабилизирует коллоидную суспензию.

Рисунок 6. Иллюстрация магнитного смачивания (рис. Китановски А., Тушек Дж., Томц У., Плазник У., Ожболт М., Поредош А. (2015) Специальные механизмы теплопередачи: активные и пассивные тепловые диоды. В: Преобразование магнитокалорической энергии // Зеленая энергетика и технологии.Спрингер, Чам)

4. Выводы и взгляды на магнитные жидкости и микрофлюидику

В данном обзоре представлена подборка работ, в которых магнитные жидкости использовались в микрожидкостных системах. Некоторые из преимуществ магнитных манипуляций по сравнению с электрическими манипуляциями включают возможность контролировать свойства потока и переноса (такие как теплопередача), а также отсутствие влияния pH, поверхностных зарядов или концентрации ионов. Однако микромагнитофлюидика остается в основном на стадии проверки концепции.Есть несколько проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем методы станут практическими. Общие проблемы с феррожидкостями заключаются в загрязнении и закупорке микроканалов из-за поверхностно-активных веществ, которые используются для повышения стабильности феррожидкости. Кроме того, наноскопические свойства феррожидкостей еще не полностью изучены и должны быть дополнительно изучены, чтобы действительно использовать их уникальные свойства.

Теперь у нас есть первая в мире жидкость с постоянными магнитами, и она совершенно потрясающая

Что имеет магнитные свойства твердого магнита, но механические свойства жидкости? Если вы ответили «ничего», вы ошиблись, потому что инженеры только что создали такое вещество, используя модифицированный 3D-принтер.

Да, феррожидкость — это уже вещь, но это другое. В отличие от феррожидкости, которую вы, возможно, знаете и любите (потому что она прекрасна), новая магнитная жидкость сохраняет свой магнетизм даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

«Мы задались вопросом: если феррожидкость может стать временно магнитной, что мы можем сделать, чтобы сделать ее постоянно магнитной и вести себя как твердый магнит, но при этом выглядеть и ощущаться как жидкость?», — сказал материаловед и инженер Том Рассел из Массачусетский университет.

“Мы создали новый материал, который является одновременно жидким и магнитным. Никто никогда не наблюдал этого раньше.”

На самом деле очень похоже на феррожидкость. Оба состоят из ферромагнитных наночастиц, взвешенных в жидкости. В новой магнитной жидкости используются наночастицы оксида железа, которые также являются популярным выбором для феррожидкости, так что здесь нет никаких сюрпризов.

Но в прошлом году команда разработала метод 3D-печати структур из жидкости. В нем использовались две жидкости: вода, впрыскиваемая в трубку с силиконовым маслом, смешанным с поверхностно-активным веществом в виде наночастиц, которые образуют эластичную пленку, по существу удерживающую воду на месте.

Это то, что команда решила использовать для своей суспензии наночастиц, печатая капли диаметром всего один миллиметр. Наночастицы оксида железа теснятся к поверхности капли, образуя оболочку на границе между каплями воды и масляной суспензией. Это называется межфазным глушением, и это хорошо известное поведение наночастиц.

Затем они поместили капли рядом с магнитной катушкой, чтобы намагнитить их. Как и феррожидкость, частицы оксида железа притягивались к магниту.Пока так нормально.

Но когда исследователи убрали магнитную катушку, она стала менее нормальной. Когда феррожидкость удаляется из-под магнитного поля, наночастицы приходят в беспорядок, и жидкость просто становится чем-то вроде кляксы.

Но с этой новой жидкостью наночастицы начали вращаться навстречу друг другу в унисон, как синхронные пловцы или «маленькие танцующие капельки», по словам инженера Сюбо Лю из Пекинского химико-технологического университета.Они сохранили свой магнетизм.

“Мы почти не могли в это поверить”, сказал Рассел. «До нашего исследования люди всегда предполагали, что постоянные магниты могут быть сделаны только из твердых тел».

В ходе дальнейшего исследования команда обнаружила, что воздействие магнитного поля на жидкость приводит к тому, что магнитные полюса наночастиц выравниваются в одном направлении. Но когда магнитное поле убрано, у поверхностных частиц нет места для дрейфа, потому что они стиснуты очень близко друг к другу и, таким образом, остаются такими.

Загадочная часть заключается в том, что они каким-то образом передают свой магнетизм наночастицам, свободно плавающим внутри капли. Команда пока не знает, как это происходит. Но это происходит, и вся капля просто остается намагниченной.

«То, что началось как любопытное наблюдение, закончилось открытием новой области науки», — сказал Лю.

И, что еще более любопытно, жидкость может менять форму – возвышаться, как цилиндр, расплющиваться, как блин, округляться, как сфера, утончаться, как проволока, или даже более сложные формы, как… осьминоги.

Изобретение может управляться внешним магнитным полем, что открывает возможности в мягкой робототехнике, искусственных клетках и, возможно, даже в адресной доставке лекарств. Не говоря уже о том, что можно узнать, пытаясь выяснить, как намагничиваются плавающие капли.

«Это открывает дверь, — сказал Рассел, — в новую область науки в области магнитно-мягкой материи».

Исследование опубликовано в журнале Science .

Что такое феррожидкость?

Феррожидкость жидкость, которая становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поле.Характерная «шипообразная» форма намагниченной феррожидкости вызвана необходимость найти наиболее устойчивую форму, чтобы минимизировать полную энергию системы, эффект, известный как неустойчивость нормального поля. Жидкость более легче намагничивается, чем окружающий воздух, поэтому вытягивается вдоль магнитного линии поля, что приводит к образованию пиков и впадин. Однако растяжению феррожидкости противодействуют гравитация и поверхностное натяжение. То образование гофр снижает магнитную энергию системы, но увеличивает гравитационную энергию и свободную поверхностную энергию.Когда эти силы сбалансирована, достигается минимальная энергетическая конфигурация. Поскольку феррожидкости очень легко намагничиваются (имеют невероятно высокую магнитную восприимчивость), пики могут быть получены с помощью небольшого стержневого магнита.

Феррожидкости известны как коллоидные жидкости и состоят из наноразмерных ферромагнитных частицы, взвешенные в жидкости-носителе, обычно воде или органическом растворителе как керосин, и покрыты поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их слипание в жидкость.Типичный состав будет состоять из 5% магнитных частиц, 10% поверхностно-активное вещество и 85% жидкости-носителя.

Частицы в феррожидкости имеют диаметр 10 нанометров или меньше и состоят из ферромагнитное, сильно восприимчивое к магнитным полям соединение, такое как магнетит (Fe ₃ О ₄ ) или гематит ( Fe ₂ О ₃ ). Размер частиц должен быть небольшим достаточно, чтобы позволить им равномерно распределиться по жидкости с помощью броуновского движение (беспорядочное движение частиц в жидкости за счет столкновений, другие молекулы), но достаточно велики, чтобы каждая из них вносила существенный вклад в вклад в магнитный отклик жидкости.При подаче заявления внешнее магнитное поле, наночастицы выравниваются с полем. Однако однажды внешнее поле отключается, частицы возвращаются к случайному выравниванию. Для по этой причине феррожидкости классифицируются как суперпарамагнетики, а не ферромагнетики.

Силы Ван-дер-Ваальса поверхностно-активного вещества препятствуют агрегации магнитных наночастиц в растворе. Различные поверхностно-активные вещества действуют по-разному, но общий принцип заключается в следующем. поверхностно-активное вещество создает слой вокруг частицы, который будет отталкивать другие наночастицы с покрытием.На приведенной ниже диаграмме показаны принципы работы ионного поверхностно-активное вещество – ионы поверхностно-активного вещества образуют слой заряда вокруг наночастицы, отталкивающие другие заряженные частицы, покрытые поверхностно-активным веществом. В то время как добавление поверхностно-активного вещества имеет решающее значение, оно имеет отрицательный эффект уменьшения вязкость жидкости в намагниченном состоянии и делает ее «мягче». Так как для большинства применений требуется «твердая» жидкость в намагниченной форме, это важный фактор, который следует учитывать при выборе состава феррожидкости.

В 1963 г. Стив Папелл из НАСА создал феррожидкость для использования в качестве ракетного топлива. Его команда НАСА ученые исследовали способы направления жидкостей в пространстве и осуществили что магнитные жидкости могут полностью контролироваться приложением и изменение магнитного поля. Феррожидкость смешивали с жидким топливом и вытягивали. к системе зажигания с внешним магнитным полем. Феррожидкости теперь нашел применение во многих приложениях от небольших электронных устройств до космических аппаратов. лечения рака к искусству.На самом деле, феррожидкости используются во многих обычных бытовых приборах. устройства, в том числе жесткие диски, где они используются для герметизации внутренней части устройство. При намагничивании они образуют барьер для пыли и грязи, которые могут повредить нежные тарелки.

Феррожидкости могут иметь очень высокую теплопроводность и свойства теплопередачи используются в таких устройствах, как громкоговорители, где они используются для охлаждения звуковая катушка. В громкоговорителе звук возникает при вибрации звуковой катушки. но это также генерирует нежелательное тепло.Феррожидкости теряют свой магнетизм, когда они нагреваются, полностью теряя свои магнитные свойства при нагревании до достаточно высокой температура, известная как температура Кюри. Если феррожидкость помещена вокруг звуковая катушка, магнит, расположенный рядом с катушкой, будет притягивать больше холодной феррожидкости. чем горячая феррожидкость, потому что более холодная феррожидкость будет сильнее намагниченный. Эта холодная феррожидкость будет поглощать тепло вокруг звуковой катушки и затем перемещайтесь к радиатору, поскольку он заменяется более холодной феррожидкостью.

Феррожидкости также находятся в центре внимания текущих научных исследований и могут быть используется во многих медицинских приложениях. Например, в магнитном нацеливании на наркотики, где лекарства могут быть заключены в феррожидкость и после инъекции в конкретное тело области, требующей лечения, магнитное поле может быть применено для удержания лекарств. в этой целевой области. Локализация ограничит воздействие на остальную часть тело и позволяют уменьшить уровень дозировки, уменьшая неблагоприятную сторону эффекты, испытываемые пациентом.

15 Интересные факты о магнитных жидкостях

Впервые разработанные НАСА для космической программы, магнитные жидкости нашли свое применение во многих аспектах современного мира. Сегодня магнитные жидкости окружают нас повсюду, от использования в музыкальных клипах до громкоговорителей и МРТ.

Здесь мы узнаем, что это такое, как они работают, и покажем вам, как сделать их самостоятельно дома.

Что такое магнитная жидкость?

Магнитные жидкости, согласно Science Direct, представляют собой:

«Коллоидные системы, состоящие из однодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе, и являются удобными модельными системами для изучения фундаментальных свойств систем магнитных наночастиц.”

Эти жидкости, как правило, остаются в жидком состоянии, даже когда они контролируются, перемещаются или кинетически взаимодействуют с магнитным полем.

Источник: Анатолий Максимчук/Wikimedia Commons

переворачивание магнитного материала стальными шариками в течение нескольких недель в среде-носителе, содержащей диспергатор.

В этих методах измельчения олеиновая кислота обычно использовалась для стабилизации дисперсий в керосине и других углеводородных дисперсионных средах.” – 911 Металлург.

Эти жидкости не существуют в природе и были впервые созданы между серединой 1960-х и 1970-ми годами. Раннее приготовление этих странных материалов было довольно дорогим и стоило около 85 долларов за мл .

Такая высокая стоимость изначально Применение этого материала в науке о материалах и полезных ископаемых сдерживалось, но более поздние исследования Горнорудного управления США с использованием магнетита в суспензии керосина снизили цену примерно на 1 доллар за литр .

Один пример называется феррожидкостью или ферромагнитной жидкостью.Эта магнитная жидкость становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля и была впервые разработана НАСА в начале 1960-х годов.

Он был разработан, чтобы найти способ подачи жидкого ракетного топлива к входу насоса в условиях низкой гравитации или невесомости.

Источник: Andrew Magill/Flickr

Магнитные жидкости, как и феррожидкости, обычно состоят из наноразмерных частиц, каждая из которых обычно покрыта поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их слипание. Феррожидкости обычно теряют наведенный магнетизм при удалении из внешнего магнитного поля.

По этой причине они классифицируются как «суперпарамагнетики».

Однако в 2019 году группе исследователей из Массачусетского университета и Пекинского химико-технологического университета удалось создать магнитную жидкость, которая может оставаться постоянно намагниченной. Этот прорыв бросил вызов устоявшемуся убеждению, что только плотные твердые тела фиксированной формы обладают этим свойством.

Как работают феррожидкости?

Феррожидкости, как мы видели, содержат мельчайшие частицы оксида железа.Когда магнит приближается к жидкости, эти частицы притягиваются к ней.

Это обычно приводит к тому, что жидкость образует удивительно выглядящие иголки или шипы. Причина этого в сложном взаимодействии различных сил.

Частицы оксида железа притягиваются к магнитному полю, а само магнитное поле притягивается к жидкости.

Частицы и масло работают вместе благодаря присутствию поверхностно-активного вещества.Один конец поверхностно-активного вещества плотно прилегает к частицам оксида железа, а другой также удерживает масло.

Это предотвратит слипание частиц оксида железа и их отделение от масляного носителя, как если бы вы просто смешали масло и частицы оксида железа.

Из-за этого феррожидкость в целом направляется в концентрированные столбцы.

В то же время гравитация пытается притянуть колонны обратно вниз, в то время как поверхностное натяжение масла заставляет каждую колонну втягиваться в себя, создавая характерные иглы жидкости.

Можно ли потрогать феррожидкость?

Конечно можно, но не рекомендуется. Феррожидкости считаются сильным раздражителем кожи.

Как только вы соприкасаетесь с феррожидкостью пальцем, жидкость быстро начинает подниматься по гребню пальца и вокруг ногтя.

Это не только выглядит неприглядно, но и может раздражать кожу. Это также может оставить длительное обесцвечивание кожи.

15 важных фактов о магнитных жидкостях

Итак, без лишних слов, вот 15 важных фактов о чудесных материалах, которые представляют собой магнитные жидкости.Этот список далеко не исчерпывающий и не имеет определенного порядка.

1. Магнитные жидкости, а именно феррожидкости, были разработаны в 1960-х годах Стивом Папеллом из НАСА для перемещения ракетного топлива в условиях микрогравитации.

Источник: NTNU/Flickr

2. Когда эти жидкости подвергаются воздействию магнитного поля, они имеют тенденцию образовывать характерные пики или иглы.

3. Большинство магнитных жидкостей не остаются намагниченными в отсутствие внешнего магнитного поля.

4. Феррожидкости обладают сильной окрашивающей способностью и могут окрашивать кожу, стекло и даже керамические поверхности.

5. Настоящая феррожидкость остается стабильной в течение длительного периода времени. Это связано с тем, что твердые частицы внутри них не агломерируются и не отделяются под действием силы тяжести.

6. Феррожидкости в настоящее время исследуются для лечения опухолей. Идея состоит в том, чтобы ввести их в опухоль и разорвать на части с помощью магнитных полей.

7. Есть надежда, что магнитные жидкости помогут в разработке интеллектуальных жидкостей в будущем. Такие жидкости могут менять состояние между твердым и жидким по команде.

8. Некоторые феррожидкости использовались в системах подвески автомобилей. Изменяя проходящий через них электрический ток, жидкость регулирует жесткость подвески в зависимости от условий движения.

9. Магнитные жидкости становятся все более популярными в качестве художественного средства. В некоторых художественных и научных музеях есть специальные выставки, посвященные этим удивительным жидкостям.

10. Возможно, вы также заметили феррожидкости в нескольких музыкальных клипах. Например, Pendulum использовал феррожидкость для видеоклипа на трек, Watercolor .

11. Типичная феррожидкость состоит из 5% магнитных твердых частиц, 10% поверхностно-активного вещества и 85% несущей жидкости.

12. Поверхностно-активные вещества имеют жизненно важное значение для феррожидкостей, поскольку они снижают поверхностное натяжение между жидкими и твердыми компонентами. Обычно для этой цели используют олеиновую кислоту, гидроксид тетраметиламмония, лимонную кислоту или соевый лецитин.

13. НАСА также экспериментировало с потоком феррожидкости в замкнутом контуре с электромагнитами в качестве системы контроля высоты.

14. Магнитные жидкости, как и феррожидкости, сегодня используются в различных технологиях. Применяется в громкоговорителях, жестких дисках компьютеров, двигателях с вращающимся валом и в качестве контрастного вещества для МРТ.

15. Феррожидкости не следует путать с магнитореологическими жидкостями (МР). Последний состоит из частиц микрометрового размера, которые со временем оседают под действием силы тяжести.

Лаборатории Беркли создают первые полностью магнитные жидкости

Магниты, какими мы их знаем, всегда твердые, но ближе всего к магнитной жидкости у нас есть класс жидкостей, называемых феррожидкостями.Эти материалы, состоящие из частиц оксида железа, взвешенных в жидкости, обладают магнитными свойствами только временно, когда на них воздействуют другие магниты. Но теперь исследователям из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли удалось создать первые жидкости с постоянными магнитами, которые могут открыть новые возможности для электроники и робототехники.

Феррожидкости существуют с 1960-х годов, и с тех пор они появились в динамиках, привлекательных часах, поверхностях, которые могут менять свою липкость или скользкость по требованию, и вскоре могут быть использованы для приведения в движение небольших спутников.Но во всех этих случаях жидкость проявляет магнетизм только при приложении магнитного поля. Новая жидкость, разработанная в лаборатории Беркли, является первой жидкостью, работающей постоянно.

«Мы создали новый материал, который является одновременно жидким и магнитным», — говорит Том Рассел, ведущий исследователь. «Никто никогда не наблюдал этого раньше. Мы задавались вопросом: «Если феррожидкость может стать временно магнитной, что мы можем сделать, чтобы сделать ее постоянно магнитной и вести себя как твердый магнит, но при этом выглядеть и ощущаться как жидкость?»

Команда начала с 3D-печати капель феррожидкости диаметром 1 мм, каждая из которых содержала миллиарды наночастиц оксида железа шириной всего 20 нанометров.Их суспендировали в другом жидком растворе. При ближайшем рассмотрении исследователи обнаружили, что капли сохраняли свою форму, потому что наночастицы скапливались по краям.

Затем ученые провели над каплями магнитной катушкой, которая усилила их магнетизм. Но в отличие от обычных феррожидкостей, этот магнетизм оставался даже после того, как катушка была удалена. Капли начали кружиться вокруг друг друга в унисон.

Изучая магнитометрию капель, команда выяснила, почему это произошло.Каждая наночастица оксида железа в каждой капле одновременно реагировала на магнитное поле, и, поскольку многие из них были стиснуты вместе на поверхности, они, по сути, образовывали твердую магнитную оболочку. Эти внешние частицы также передавали свою магнитную ориентацию наночастицам в ядре каждой капли.

Как и следовало ожидать от магнитной жидкости, вещество сохраняет свои магнитные свойства практически в любой форме. Исследователи показали, что они могут делить капли на более мелкие или превращать их в сферы, цилиндры, блины, трубки и даже в форму осьминога, оставаясь при этом магнитными.Кроме того, капли можно настроить таким образом, чтобы их магнетизм можно было включать и выключать по желанию.

В совокупности эти свойства могут сделать капли очень полезными в роботах или электронных устройствах. Команда предполагает, что их можно использовать для создания искусственных клеток, печатаемых жидкостью, или роботов с магнитным управлением, которые доставляют лекарства внутрь тела.

Исследование было опубликовано в журнале Science , а магнитные жидкости можно увидеть в действии на видео ниже.

Источник: Лаборатория Беркли

Ученые печатают жидкие магнитные капли

Эта новая жидкость является магнитной и завораживающей

Магнит, встречающийся в природе оксид железа, был первым известным людям материалом с постоянным магнитным полем.Китайцы хань использовали его для гадательных досок 2200 лет назад; древние греки ломали голову над тем, почему к нему притягивается железо; и арабские торговцы помещали его в чаши с водой, чтобы наблюдать, как магнит указывает путь в Мекку. В наше время ученые использовали магниты для чтения и записи данных на жесткие диски и формирования подробных изображений костей, клеток и даже атомов.

На протяжении всей истории одно оставалось неизменным: наши магниты были сделаны из твердых материалов. Но что, если бы ученые могли делать магнитные устройства из жидкостей?

В исследовании, опубликованном в четверг в журнале Science, исследователям удалось сделать именно это.

«Мы создали новый материал, который обладает всеми характеристиками обычного магнита, но мы можем изменять его форму и приспосабливать к различным применениям, потому что он жидкий», — сказал Томас Рассел, ученый-полимерист из Университета. из Массачусетса, Амхерст, и ведущий автор исследования. «Это очень уникально».

С помощью специального 3D-принтера доктор Рассел и его коллеги из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли вводили наночастицы оксида железа в миллиметровые капли толуола — бесцветной жидкости, не растворяющейся в воде.Команда также добавила к каплям мылоподобный материал, а затем подвесила их в воде.

[ Нравится страница Science Times на Facebook. | Подпишитесь на информационный бюллетень Science Times . ]

Мылоподобный материал заставлял наночастицы оксида железа собираться вместе на поверхности капель и образовывать полутвердую оболочку. «Частицы застревают на месте, как пробка в 5 часов», — говорит доктор.— сказал Рассел.

Затем ученые поместили капли на мешалку с вращающимся стержневым магнитом и наблюдали кое-что необычное: твердый магнит заставлял положительный и отрицательный полюсы жидких магнитов следовать за внешним магнитным полем, заставляя капли танцевать на поверхности. пластина. Когда твердый магнит удаляли, капли оставались намагниченными.

«Мы почти не могли в это поверить», — сказал доктор Рассел.

В 1960-х годах ученые НАСА обнаружили, что некоторые жидкости могут намагничиваться в присутствии сильного магнитного поля.Но эти жидкости, известные как феррожидкости, всегда теряли свой магнетизм, как только удалялось более сильное внешнее магнитное поле.

Напротив, капли, созданные доктором Расселом и его командой, становятся магнитными и остаются такими благодаря оболочке из наночастиц, образующейся внутри мыльной эмульсии.

В результате капельки можно заставить менять форму с помощью небольшого приложения силы, как если бы гаишник наткнулся на ту пробку в час-пик и начал двигать вещи вперед, – сказал доктор Вилли.— сказал Рассел.

Движение капель жидкости также можно контролировать с помощью внешних магнитов. Таким образом, жидкие магниты могут быть полезны для доставки лекарств в определенные места тела человека и для создания «мягких» роботов, которые могут двигаться, изменять форму или хватать предметы.

«Мы надеемся, что эти результаты позволят людям сделать шаг назад и подумать о новых применениях жидких магнитов», — сказал доктор Рассел. «Потому что до сих пор специалисты в области материаловедения вообще не думали, что это возможно.”

Магнитные жидкости – Деятельность – TeachEngineering

(0 оценок)

Быстрый просмотр

Уровень: 11 (10-12)

Необходимое время: 30 минут

Расходные материалы Стоимость/группа: 12 долларов США.00

Размер группы: 3

Зависимость от действия: Нет

предметных областей: Химия, Физика

Ожидаемые характеристики NGSS:

Резюме

В этом увлекательном занятии учащиеся знакомятся с уникальным типом жидкости — феррожидкостью, на форму которой могут влиять магнитные поля! Студенты выступают в роли инженеров-материаловедов и создают свои собственные феррожидкости.Перед ними стоит задача сделать магнитные чернила из феррожидкости и проверить свои творения, чтобы убедиться, что они работают. Параллельно они узнают больше о магнетизме, поверхностно-активных веществах и нанотехнологиях. Когда они наблюдают свойства жидкости как отдельной жидкости и в условиях наложенного магнитного поля, они приходят к пониманию компонентов феррожидкостей и их функций. Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Примерно с 1960-х годов феррожидкости использовались в качестве охлаждающих жидкостей для аудиоколонок и высококачественных инженерных уплотнений.Динамические уплотнения вращающихся валов являются примером передовых технологий уплотнения, которые обычно применяются инженерами-механиками в условиях промышленного предприятия. В последнее время эта технология стала предметом исследований, связанных с суспензиями наночастиц и инженерным проектированием, чтобы они обладали лучшими магнитными свойствами в умеренных магнитных полях. Инженеры-материаловеды разработали новые наноматериалы для медицинских применений, ориентированных на локализованные системы доставки лекарств с помощью наведенных магнитных полей.Инженеры-материаловеды используют основы химии и физики, а также недавно приобретенные концепции нанонауки, чтобы ввести частицы, достаточно маленькие, чтобы транспортироваться через капиллярные системы и органы и иметь достаточную намагниченность. Кроме того, инженеры-материаловеды и биохимики разрабатывают биосовместимые и биоразлагаемые органические покрытия, которые снижают уровень токсичности и биохимические реакции, которые могут происходить с магнитными наноматериалами внутри тела человека или животного. Самое главное, жидкость должна вести себя как жидкость, пока не будет приложено магнитное поле.

Цели обучения

После этого задания учащиеся должны уметь:

Объяснить теорию магнетизма.
Опишите роль каждого компонента феррожидкости.
Опишите уникальное поведение феррожидкостей под воздействием магнитных полей.
Описать применение и использование феррожидкостей.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering связано с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемая производительность NGSS

ГС-ПС2-6. Сообщите научно-техническую информацию о том, почему структура на молекулярном уровне важна для функционирования разработанных материалов.(9-12 классы)

Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату

Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:

Научная и инженерная практика Ключевые дисциплинарные идеи Концепции поперечной резки

Передача научной и технической информации (например,грамм. о процессе разработки, а также о конструкции и выполнении предлагаемого процесса или системы) в нескольких форматах (включая устную, графическую, текстовую и математическую).
Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!
Притяжение и отталкивание между электрическими зарядами на атомном уровне объясняют структуру, свойства и превращения материи, а также контактные силы между материальными объектами.
Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!
Исследование или проектирование новых систем или конструкций требует подробного изучения свойств различных материалов, конструкций различных компонентов и соединений компонентов для выявления их функций и/или решения проблемы.
Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технология

ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше
Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Каждой группе нужно:

Пробирка 25 мл с пробкой или крышкой с резьбой

1, 0.Дисковый магнит из редкоземельного неодима диаметром 5 дюймов и толщиной 0,250 дюйма (например, номер детали NSN0641, количество 8 за 13 долларов США по адресу: https://www.magcraft.com/disc-magnets)

стеклянная палочка для перемешивания или палочка для эскимо ^®

изоляционная лента или изоляционная лента (при использовании пробки)

1 пустая перьевая ручка/аппликатор чернил

чистый лист бумаги

фартук и защитные очки (на каждого ученика)

(дополнительно) латексные перчатки (для каждого учащегося; тонер может испачкать кожу и одежду)

лабораторная стеклянная посуда, такая как химический стакан на 200 мл

Рабочий лист по магнитным жидкостям, по одному на учащегося

Чтобы поделиться со всем классом:

Рабочие листы и вложения
Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/uoh_nano_lesson02_activity2] для печати или загрузки.
Больше учебных программ, подобных этому

Предварительные знания

Учащиеся должны были ознакомиться с нанотехнологиями, их масштабами, характеристиками и приложениями, как это представлено в двух уроках этого раздела, «Нанотехнологии в целом» и «Развлечение с нанотехнологиями», включая их презентацию PowerPoint и рабочий лист.

Введение/Мотивация

Материалы могут совершенно по-разному реагировать на присутствие внешнего магнитного поля. Большинство материалов по своей реакции на внешние магнитные поля делятся на три категории: парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные. Каковы могут быть различия между этими тремя категориями магнитных материалов? (Послушайте идеи учащихся.) Что ж, их магнитные отклики сильно различаются по силе.Диамагнетики создают очень слабое магнитное поле, противодействующее приложенному извне магнитному полю. Это свойство большинства материалов периодической таблицы, включая медь, серебро и золото. Парамагнетизм сильнее диамагнетизма и создает намагниченность в направлении приложенного поля и пропорциональную приложенному полю. Примерами являются магний, молибден, литий и тантал. Ферромагнитные материалы обладают наибольшей магнитной проницаемостью – очень большой – создавая намагниченность, часто на порядки превышающую приложенное поле, что намного больше, чем диамагнитные или парамагнитные эффекты.Примерами ферромагнитных материалов являются кобальт, железо и никель.

Как следует из названия, феррожидкости состоят из ферромагнитных частиц, поверхностно-активного вещества и жидкости-носителя. Ферромагнитные частицы используются из-за их большой магнитной проницаемости по сравнению с другими классификациями магнитов. По сути, результирующее магнитное поле на порядки больше, чем индуцированное магнитное поле, что становится важным при манипулировании феррожидкостями в умеренных и контролируемых магнитных полях.

Какие ингредиенты содержатся в феррожидкости? (Послушайте, слышали ли учащиеся, что вы упомянули об этом ранее.) Типичные ферромагнитные материалы состоят из металлов на основе железа, никеля и кобальта, а иногда и редкоземельных материалов. Ферромагнетизм вызван дальним упорядочением атомного масштаба, которое заставляет неспаренные электроны ориентироваться параллельно друг другу в домене. Эти домены или области магнитного выравнивания случайным образом ориентированы и ограничены объемным материалом, что приводит к нулевому чистому магнитному полю.Однако во внешнем магнитном поле эти домены выравниваются, вызывая усиление приложенного магнитного поля. Эти домены, созданные при дальнем упорядочении атомного масштаба, могут охватывать большое количество атомов. Однако, чтобы сделать ферромагнитный материал жидким, для наших целей потребовалось бы плавление металла. В таких условиях типичные ферромагнитные сплавы имеют температуру плавления выше точки перехода ферромагнитных свойств в парамагнитные. Этот переход обозначается как температура Кюри.

Как материалист, эти принципы становятся важными при разработке магнитной жидкости. Задача состоит в том, чтобы сделать магнитную жидкость без превышения точки Кюри материалов. Ученые разработали растворы парамагнитных солей для магнитных жидкостей. Эти жидкости обладают менее чем адекватной магнитной проницаемостью, чего можно было бы ожидать, учитывая, что парамагнитные материалы обладают гораздо меньшей магнитной проницаемостью, чем ферромагнитные материалы. Именно здесь наноматериалы становятся все более важными.

Чтобы справиться с такой задачей, ученые и инженеры разработали ферромагнитные наночастицы диаметром около 10 нм, но достаточно малые, чтобы их можно было суспендировать в различных жидкостях-носителях. Такую суспензию можно считать коллоидной. Кроме того, размер каждой наночастицы составляет порядка нескольких атомов в диаметре, что создает частицу с одним магнитным доменом. Это означает, что каждая наночастица представляет собой собственный постоянный магнит, подвешенный в несущей жидкости. С подходящим поверхностно-активным веществом для предотвращения агломерации частиц суспензию можно манипулировать в контролируемом умеренном магнитном поле.

У вас есть идеи по полезному применению этих материалов? Этим магнитным жидкостям в течение последних нескольких десятилетий уделялось значительное внимание в связи с их применением в системах уплотнения вращающихся валов и системах охлаждения акустических динамиков. Совсем недавно феррожидкости стали применяться для лечения рака и систем доставки лекарств. Методы лечения рака используют нагревательный эффект переменных магнитных полей и энергию, теряемую при таком циклировании. Для систем доставки лекарств магнитные препараты с подходящим поверхностно-активным веществом вводят в кровоток и манипулируют внешними магнитными полями, чтобы локализовать лечение в конкретной системе человека.Прогресс в лечении ограничен только возможностью создавать нетоксичные, биологически совместимые магнитные частицы.

В этом упражнении вы выступаете в роли инженера-материаловеда, создавая собственную феррожидкость. Ваша задача: сделать магнитные чернила, которыми можно писать, и проверить, работают ли они. Используйте свои навыки наблюдения и новые знания о феррожидкостях, чтобы заполнить рабочий лист. Удачи!

Процедура

Перед занятием

Разместите все лабораторные принадлежности и сделайте их доступными для учащихся.

Разделите и измерьте тонер и масло MICR для каждой группы: 50 мл тонера, 30 мл растительного масла. В качестве альтернативы дайте учащимся время сделать это в рамках задания:

Сделайте копии рабочего листа по магнитным жидкостям, по одной на каждого учащегося.

Со студентами — общая процедура

Разделите класс на группы по три-четыре ученика в каждой. Раздайте рабочие листы.

Поручите учащимся получить и просмотреть материалы для занятий.

Предложите учащимся прочитать рабочий лист, следовать его инструкциям и ответить на вопросы.

Предложите учащимся сдать свои рабочие листы для выставления оценок.

Завершите обсуждение классом, чтобы сравнить результаты и выводы.

Процедура изготовления феррожидкости (части 1 и 2)

Налейте 50 мл тонера MICR в стакан на 200 мл.

Налейте 30 мл растительного масла в стакан на 200 мл.

Перемешивайте смесь, пока она не приобретет легкую гладкую консистенцию.

Осторожно перелейте жидкость в пустую пробирку и закройте крышкой или пробкой.

Ответьте на вопросы рабочего листа части 2.

Процедура нанесения магнитных чернил (часть 3)

Снимите пробку с пробирки. Следите за тем, чтобы не пролить жидкость.

Опустите перьевую ручку (аппликатор чернил) в пробирку и дайте жидкости просочиться на ее кончик.

Уберите перьевую ручку и начните писать на чистом листе бумаги.

Дайте бумаге высохнуть в течение 10 минут.

Пока он сохнет, заполните Часть 4 на рабочем листе.

После высыхания проверьте свои чернила с помощью постоянного магнита, а затем ответьте на вопросы части 3.

Альтернативная процедура магнитных чернил

Поместите постоянный магнит под бумагу и налейте на магнит небольшое количество жидкости.

Манипуляции руками с магнитом и жидкостью, создание символов, рисунков и т. д.

Развлечение с процедурой феррожидкости (часть 4)

Поместите пробку обратно на крышку пробирки, если она еще не установлена.

С помощью скотча надежно закрепите пробку на пробирке.

Не стесняйтесь перемещать жидкость и играть с постоянным магнитом.

Ответьте на вопросы рабочего листа для этого раздела.

Словарь/Определения

коллоидный: Химическая система, в которой существует непрерывная жидкая фаза с твердой фазой, взвешенной в жидкости.

Точка Кюри: температура, при которой ферромагнетизм теряется из-за чрезмерного теплового перемешивания.

диамагнетик: Материал без неспаренных электронов. Выравнивание электронов внутри домена вызывает встречные токи, противодействующие приложенному внешнему магнитному полю.

домен: Область, в которой неспаренные электроны выровнены параллельно, создавая магнитное поле.

феррожидкость: ферромагнитные частицы, взвешенные в жидкости-носителе с помощью поверхностно-активного вещества.

ферромагнитный: явление дальнего порядка на атомном уровне, которое заставляет неспаренные электронные спины выстраиваться параллельно друг другу в домене.

магнитная проницаемость: мера способности материала выдерживать магнитное поле.

парамагнетизм: Магнетизм приложенным извне магнитным полем.

поверхностное натяжение: повышенное притяжение молекул на поверхности жидкости в результате сил притяжения на меньшем количестве сторон молекул.

поверхностно-активное вещество: химическое вещество, которое действует как смачивающий агент для снижения поверхностного натяжения жидкости и улучшения растекаемости.

Оценка

Встроенная оценка деятельности

Рабочий лист: Используйте прилагаемый рабочий лист по магнитным жидкостям в качестве учебного пособия для учащихся, чтобы записывать все наблюдения во время занятия. Вопросы рабочего листа предназначены для стимулирования критического мышления учащихся по этой теме; их просят ответить на вопросы, связанные как с магнетизмом, так и с химией, с основным акцентом на важность научных наблюдений.Ожидайте, что учащиеся закончат рабочий лист в классе.

Оценка после активности

Презентация: Предложите учащимся подготовить плакаты, содержащие научно-техническую информацию о молекулярной структуре магнитных частиц в растворе и о том, как эта структура связана с магнитными свойствами инженерной феррожидкости.

Рабочий лист: Предложите учащимся сдать заполненные рабочие листы для выставления оценок. Просмотрите их ответы, чтобы оценить их владение концепциями.

Заключительное обсуждение в классе: Проведите обсуждение после выполнения задания, чтобы сравнить результаты и выводы, включая ответы на вопросы из рабочего листа и примеры из реальной жизни.

Вопросы безопасности

Ингредиенты, используемые в этом упражнении, безвредны при воздействии на кожу в стандартной форме. Однако, как и во всех лабораторных практиках, перед выполнением работ ознакомьтесь с паспортами безопасности материалов.

Все учащиеся должны носить фартуки и защитные очки при выполнении этого задания.

Внимание! Тонер может испачкать кожу и одежду; рассмотрите возможность ношения латексных перчаток.

Выбросьте смесь тонера и масла в мусорное ведро.

Дополнительная мультимедийная поддержка

Покажите учащимся множество коротких и удивительных видеороликов о скульптурах из феррожидкости на YouTube

использованная литература

Бенсон, Харрис. Университетская физика – исправленное издание . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1995, стр. 662–667.

Диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные материалы . Образовательный ресурсный центр NDT, Университет штата Айова. Последний доступ 27 сентября 2012 г. http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/MagParticle/Physics/MagneticMatls.htm

Магнитные свойства твердых тел. Последнее обновление: 19 февраля 2006 г.Факультет физики и астрономии Государственного университета Джорджии. Последний доступ 27 сентября 2012 г. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/magpr.html

Оденбах, Штефан. Феррожидкости: магнитоуправляемые жидкости . Опубликовано 18 марта 2002 г. Труды по прикладной математике и механике. Том. 1, выпуск 1, стр. 28-32. По состоянию на 27 сентября 2012 г. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1617-7061(200203)1:1%3C28::AID-PAMM28%3E3.0.CO;2-8/abstract

Рууге, Э.К. и А.Н. Rusetski, Магнитные жидкости как переносчики лекарств: направленный транспорт лекарств магнитным полем . Опубликовано в 1993 году. Журнал магнетизма и магнитных материалов. Том. 122, выпуск 1-3, стр. 335-339. По состоянию на 27 сентября 2012 г. http://adsabs.harvard.edu/abs/1993JMMM..122..335R

Авторские права
© 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2011 Университет Хьюстона
Авторы
Марк Берд
Программа поддержки
Программы Национального научного фонда GK-12 и исследовательского опыта для учителей (RET), Хьюстонский университет
Благодарности

Эта учебная программа была создана Инженерным колледжем Хьюстонского университета при поддержке гранта GK-12 Национального научного фонда №.DGE 0840889. Однако это содержание не обязательно отражает политику Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.

Ожидаемая производительность NGSS
ГС-ПС2-6. Сообщите научно-техническую информацию о том, почему структура на молекулярном уровне важна для функционирования разработанных материалов.(9-12 классы) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату

Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Ключевые дисциплинарные идеи	Концепции поперечной резки
Передача научной и технической информации (например,грамм. о процессе разработки, а также о конструкции и выполнении предлагаемого процесса или системы) в нескольких форматах (включая устную, графическую, текстовую и математическую). Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!	Притяжение и отталкивание между электрическими зарядами на атомном уровне объясняют структуру, свойства и превращения материи, а также контактные силы между материальными объектами. Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!	Исследование или проектирование новых систем или конструкций требует подробного изучения свойств различных материалов, конструкций различных компонентов и соединений компонентов для выявления их функций и/или решения проблемы. Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ | Наука и жизнь

Магнитные жидкости: ТЕХНОЛОГИЯ | ИГЭУ

Из чего сделана ферромагнитная жидкость?

Получение и применение ферромагнитной жидкости

от проектов NASA к жидкостному охлаждению динамиков / Хабр

История создания и отказ от использования

Динамики с жидкостью

“Мокрые” против “сухих”

Итог

Физика.Ферромагнитная жидкость

Физика.Ферромагнитная жидкость

Среди изобретений, применяемых в современной электроакустике, особый интерес представляет ферромагнитная жидкость

История создания и отказ от использования

Динамики с жидкостью

“Мокрые” против “сухих”

Итог

Магнитные жидкости и микрофлюидика: краткий обзор

Термомагнитная конвекция в феррожидкостях

Теплопередача феррожидкостей

Феррожидкостный насос

Магнитокалорический насос

Смешивание

Образование капель

Клапаны и уплотнения

Сортировка и разделение

Магнитная цифровая микрофлюидика

Теперь у нас есть первая в мире жидкость с постоянными магнитами, и она совершенно потрясающая

Что такое феррожидкость?

15 Интересные факты о магнитных жидкостях

Что такое магнитная жидкость?

Как работают феррожидкости?

Можно ли потрогать феррожидкость?

15 важных фактов о магнитных жидкостях

Лаборатории Беркли создают первые полностью магнитные жидкости

Эта новая жидкость является магнитной и завораживающей

Магнитные жидкости – Деятельность – TeachEngineering

Быстрый просмотр

Резюме

Инженерное подключение

Цели обучения

Образовательные стандарты

Список материалов

Рабочие листы и вложения

Больше учебных программ, подобных этому

Предварительные знания

Введение/Мотивация

Процедура

Словарь/Определения

Оценка

Вопросы безопасности

Дополнительная мультимедийная поддержка

использованная литература

Авторские права

Авторы

Программа поддержки

Благодарности

Добавить комментарий Отменить ответ