webdonsk.ruКак сделать магнитную пыль
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 08.09.2024
Удивительную жидкость, которая притягивается к магниту, образуя что-то вроде ежа, можно получить самостоятельно.
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.
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!
Ферромагнитная жидкость - жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Иными словами при приближении обычного магнита к этой жидкости она начинает вытворять определенные движения: вскакивает как ежик, липнет к магниту, поднимается горбом.
Для этого нам необходимо масло (моторное или подсолнечное или другое) и тонер (порошок) для лазерного принтера.
Похожие мастер-классы
Особо интересное
Порошковая металлургия существовала еще в древнем Египте, а древние инки пользовались железными порошками для изготовления украшений. До сих пор эта технология продолжает совершенствоваться. Она широко используется во многих отраслях современной промышленности. В частности, производство железных порошков необходимо для достижения таких целей:
Получение железного порошка
Существуют различные варианты получения железных магнитных порошков. В зависимости от поставленных целей используется различное исходное сырье и соответствующий метод его обработки. Одним из наиболее востребованных методов является карбонильная технология. В этом случае производство железных порошков выполняется в 2 стадии:
1) Металлосодержащее сырье взаимодействует с CO , что позволяет отделить от балластных веществ карбонил металла.
2) Полученный на первой стадии чистый карбонил металла сильно нагревается для выделения из него чистого металла и C О. Затем CO снова используют в новых циклах производства порошка.
Этот метод применяется для сырья с летучими карбонилами (железо и никель). Карбонильная технология позволяет получить любые модификации металлов и качественные композиции с неметаллическими составляющими. Также удается получить особо чистый порошок, который подходит для решения широко спектра прикладных задач. В частности, наравне с промышленным применением железный порошок используются и в научно-образовательных целях. Специальная разновидность этого материала оказывается идеальным решением для визуализации магнитных полей. Более наглядного и интересного способа познакомиться с явлением магнетизма просто не придумать. Такие порошки отлично подходят и для домашних экспериментов. Они абсолютно безопасны и безвредны для человека и не имеют каких-либо ограничений в использовании.
Детям нравятся магнитные лизуны. Можно сделать его дома из клея ПВА, буры (тетрабората натрия), пищевого красителя или зеленки. Достаточно смешать все ингредиенты, добавить в желеобразную массу щепотку железного порошка и хорошо перемешать. Поднесите к массе магнит, и магнитный лизун потянется за магнитом.
Впервые разработанные НАСА для космической программы магнитные жидкости нашли свое место во многих аспектах современного мира. От использования в музыкальных клипах до акустических систем и МРТ-сканирования - магнитные жидкости сегодня повсюду вокруг нас.
Здесь мы рассмотрим, что они из себя представляют, как они работают.
Что такое магнитная жидкость?
Магнитные жидкости, согласно науке являются:
"Коллоидные системы, состоящие из однодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе, являются удобными модельными системами для исследования фундаментальных свойств магнитных наночастичных систем."
Эти жидкости, как правило, остаются в жидком состоянии, даже когда они контролируются, перемещаются или кинетически взаимодействуют с магнитным полем.
Традиционные методы приготовления магнитных жидкостей включают длительное измельчение магнитного материала стальными шариками в течение нескольких недель в среде-носителе, содержащей диспергирующий агент.
В этих методах измельчения олеиновую кислоту обычно использовали для стабилизации дисперсий в керосине и других углеводородных дисперсионных средах.
Эти жидкости не существуют в природе и впервые были созданы в середине 1960-х - 1970-х годов. Раннее приготовление этих странных материалов было довольно дорогостоящим и стоило около 85 долларов за мл.
Эта высокая стоимость изначально сдерживала применение материала в материаловедении и минералогии. Но позже исследования, проведенные Горным бюро США с использованием магнетита в керосиновой суспензии, снизили цену около $1 за литр.
Один из примеров называется феррофлюид или ферромагнитная жидкость. Эта магнитная жидкость становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля и была впервые разработана НАСА в начале 1960-х годов.
Он был разработан для поиска способа перемещения жидкого ракетного топлива на входе насоса в условиях низкой гравитации или невесомости.
Магнитные жидкости, например, феррожидкости, как правило, состоят из наноразмерных частиц, каждая из которых обычно покрывается поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их скопление. Феррожидкости обычно теряют индуцированный магнетизм при удалении из внешнего магнитного поля.
По этой причине они классифицируются как "суперпарамагниты".
Однако в 2019 году команде исследователей из Массачусетского университета и Пекинского университета химических технологий удалось создать магнитную жидкость, которая может оставаться постоянно намагниченной. Этот прорыв бросил вызов устоявшейся вере в то, что только плотные твердые частицы с фиксированной формой способны на это свойство.
Как работают ферромагнитные жидкости?
Феррожидкости, как мы видели, содержат мельчайшие частицы окиси железа. Когда магнит притягивается близко к жидкости, эти частицы притягиваются к ней.
Это обычно приводит к тому, что жидкость создает удивительные выглядящие иглы или шипы. Причина этого кроется в сложном взаимодействии различных сил.
Частицы оксида железа притягиваются к магнитному полю, а также само магнитное поле притягивается к жидкости.
Частицы и масло работают вместе как единое целое благодаря наличию поверхностно-активного вещества. Один конец поверхностно-активного вещества плотно прилегает к частицам оксида железа, а другой также удерживает масло.
Это предотвращает скопление и отделение частиц оксида железа от масляного носителя - как вы могли бы увидеть, если бы просто смешали частицы масла и частицы оксида железа.
Из-за этого феррожидкость в целом направляется в концентрированные колонны.
В то же время сила тяжести пытается оттянуть колонны вниз, в то время как поверхностное натяжение масла заставляет каждую колонку тянуть себя, создавая характерные иглы жидкости.
Вы можете прикоснуться к феррожидкости?
Конечно, можете, но это не рекомендуется. Феррожидкость считается основным раздражителем кожи.
Как только Вы касаетесь феррожидкости пальцем, жидкость быстро начинает перемещаться вверх по гребням пальца и вокруг ногтя.
Это не только выглядит неприглядно, но и может и будет раздражать вашу кожу. Она также может надолго оставить на коже пятно.
15 фактов о магнитных жидкостях
Итак, без лишних слов, вот 15 фактов о чудесных материалах, которые являются магнитными жидкостями. Этот список далеко не исчерпывающий и не имеет определенного порядка.
1. Магнитные жидкости, а именно феррожидкости, были разработаны в 1960-х годах Стивом Папелем из НАСА, чтобы помочь перемещать ракетное топливо в условиях микрогравитации.
2. Когда эти жидкости подвергаются воздействию магнитного поля, они имеют тенденцию образовывать характерные шипы или иголки.
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 происходит потому, что содержащиеся в них твердые частицы 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 их на части с помощью магнитных полей.
7. Есть надежда, что магнитные жидкости могут помочь в разработке умных жидкостей в будущем. Такие жидкости могут изменять состояние между твердым и жидким по команде.
8. Некоторые феррожидкости были использованы в системах подвески автомобилей. Изменяя электрический ток через них, жидкость регулирует жесткость подвески в зависимости от условий вождения.
9. Магнитные жидкости становятся все более популярными в качестве художественной среды. В некоторых художественных и научных музеях есть специальные экспонаты, посвященные этим удивительным жидкостям.
10. Возможно, Вы также заметили феррожидкости более чем в нескольких музыкальных клипах. Например, группа Pendulum использовала феррожидкость для музыкального клипа к треку "Акварель".
11. Типичная феррожидкость состоит из 5% магнитных твердых тел, 10% поверхностно-активных веществ 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 текучими железными жидкостями в замкнутом контуре с электромагнитами в качестве системы контроля высоты.
14. Магнитные жидкости, такие как феррожидкости, сегодня используются в различных технологиях. Применяются в громкоговорителях, компьютерных жестких дисках, двигателях с вращающимся валом и в качестве контрастного вещества для МРТ.
15. Феррожидкости не следует путать с магнитореологическими жидкостями. Последний состоит из частиц микрометрового масштаба, которые со временем осядут под действием силы тяжести.
Читайте также: