Лабораторная работа №1

Синтез и исследование свойств ферромагнитной жидкости

     

Цель работы

Синтез ферромагнитной жидкости, исследование ее свойств и возможностей применения.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ферромагнитная жидкость (ФМЖ, магнитная жидкость, феррофлюид) — это коллоиды, как правило, состоящие из 10-нанометровых магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом (ПАВ). Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами (рис. 1).

 

Рис. 1 Коллоидные частицы магнитной жидкости, стабилизированные ПАВ.

 

Наночастицы ФМЖ представляют собой однодоменные магниты, ориентация магнитных моментов которых в отсутствии магнитного поля в каждый момент времени случайна, так что полная намагниченность жидкости равна нулю, т.е. она является парамагнетиком. При наложении магнитного поля жидкость намагничивается и принимает форму, диктуемую внешним магнитным полем. При повышении напряженности поля увеличивается ее вязкость (вплоть до затвердевания). Обычно в таких жидкостях используются частицы магнетита Fe 3O 4. Нанометровый размер частиц является необходимым условием для существования ферромагнитной жидкости.

Уникальные свойства ферромагнитных жидкостей использованы в ряде технических решений. Они применяются в качестве герметика, препятствующего проникновению пыли внутрь корпуса жестких дисков персональных компьютеров, и вакуумных уплотнителей.

Магнитные жидкости могут перекрывать канал в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости.

Несколько видоизменив подшипниковый узел механизма, из магнитной жидкости можно сделать сальник, который сохраняет даже в глубоком вакууме работоспособность при скоростях вращения вала до 12000 рад/с при температурах до 120°С и не требует шлифовки посадочных мест на шейках валов (достаточно грубой токарной обработки). Обслуживание такого сальника сводится к добавке в зазор нескольких капель свежей магнитной жидкости.

В устройствах для удержания оправки трубопрокатного стана ферромагнитная жидкость выполняет роль зажима, хватающего хвостовик оправки и твердеющего под действием электромагнитного поля. Она надежно соединяет оправку с механизмом ее перемещения и в то же время имеет способность мгновенно отпустить оправку при отключении электромагнита.

В других технических решениях ферромагнитная жидкость используется как элемент устройств для измерения усилий деформации.

Предложен способ очистки поверхности морей и океанов от нефтепродуктов: ферромагнитную жидкость на основе керосина распыляют на загрязненную поверхность, а затем вместе с разлитой нефтью собирают ее магнитами. Таким же путем в промышленности можно удалять масло из смазочно-охлаждающих эмульсий на водной основе. Ферромагнитные жидкости используются в производстве высококачественных акустических динамиков, а также при создании «умных» амортизаторов, способных изменять жесткость за считанные мгновения. Отдельные образцы ФМЖ были с успехом использованы в уплотнительных устройствах аппаратов процесса экстракционного выделения растительных масел, в качестве магнитных чернил, закалочной среды и так далее.

Преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (рис. 2). 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.

Рис. 2. Преобразователь энергии. Рис. 3. Сепаратор на основе ФМЖ.

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 (рис. 3).

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.

Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Все процедуры при этом существенно упрощаются.

Экспериментальная часть

1. Синтез ФМЖ

Способ получения ФМЖ заключается в осаждении высокодисперсного магнетита в щелочной среде из водных растворов солей железа, промывке осадка дистиллированной водой и пептизации в растворе ПАВ.

1. Растворите 6 г FeSO4 * 7H2O и 12 г FeCl3·6H2O в 0,5 л дистиллированной воды;

2. При постоянном перемешивании влейте раствор аммиака, до прекращения выпадения осадка;

3. После непродолжительного отстаивания отфильтруйте осадок при помощи вакуумного насоса (ознакомившись с требованиями безопасности) на воронке Бюхнера и промойте осадок дистиллированной водой до рН промывных вод ~ 6-7.

4. Аккуратно перенесите полученный осадок с помощью скальпеля в чашку Петри и добавьте к нему каплю ПАВ (в соответствии с полученным заданием).

5. Исследуйте свойства ФМЖ с помощью электромагнита (рис. 4).

2. Устройство и принцип действия электромагнита.

Источником магнитного поля являются две катушки закрепленные на сердечнике, изготовленном из трансформаторной стали. Якорь электромагнита F -образной формы изготовлен из малоуглеродистой стали. Нижняя часть якоря находится против полюсов сердечника. В верхней части якоря между двумя дисками электромагнита находится сосуд с исследуемым раствором. На нижней стороне основания электромагнита расположена клеменная колодка для последовательного или параллельного соединения обмоток катушек. Регулировка напряжения, а значит и величина напряженности магнитного поля, может осуществляться и с помощью источника питания постоянного тока в пределах от 10 до 24 В. Величину магнитного поля также можно менять за счет изменения расстояния между дисками. Пуск и остановка производятся выключателем, расположенным на основании корпуса электромагнита.

Рис. 4. Лабораторная установка: 1 – электромагнит, 2 – источник питания.

3. Требования безопасности.

3.1 Работа с электромагнитом.

Электромагнит необходимо установить на мягкую прокладку без крепления. При работе соблюдать требования электробезопасности по ГОСТ 12.1.019-79.

При этом запрещается включать электромагнит:

- в сеть переменного тока;

- при снятой изоляционной крышке, расположенной на основании корпуса.

Во избежание излишнего перегрева катушек рекомендуется снижать напряжение питания и выключать электромагнит в паузах между работой.

3.2 Работа с вакуумным насосом.

Вакуумный насос НБН-5 предназначен для откачки воздуха из герметичных объемов. Принцип действия насоса основан на механическом всасывании и выталкивании газа вследствие периодического изменения объема рабочей камеры, образуемой подвижной мембраной.

Для работы насоса необходимо:

- включить электродвигатель (ВНИМАНИЕ!) при атмосферном давлении на входе в насос;

- открыть запорный вентиль на магистрали, соединяющей насос с откачиваемым объемом;

- произвести откачку до необходимого остаточного давления.

Для остановки насоса необходимо:

- закрыть запорный вентиль;

- отключить насос от сети;

- выровнять давление на входе насоса с атмосферным.

3.3 Работа с химическими реактивами

Перед началом работы необходимо пройти инструктаж по технике безопасности.

С химическими реактивами необходимо работать с применением средств индивидуальной защиты (СИЗ) – х/б халат и защитные очки в вытяжном шкафу при включенной вентиляции.

Рабочее место должно удовлетворять требованиям ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

Порядок выполнения работы

1 Содержание отчета

  • Цель работы.

  • Ответы на контрольные вопросы.

  • Опишите ход работы.

  • Изобразите схему установки для исследования свойств ФМЖ.

  • Изобразите каплю ФМЖ в магнитном поле.

  • Выводы:

- напишите уравнение реакции образования ФМЖ,

- определите, к какой группе методов получения наноразмерных частиц относится используемый в данной работе способ,

- сделайте заключение о влиянии природы ПАВ и величины напряженности магнитного поля на свойства ФМЖ,

2 Контрольные вопросы

  • Что такое ферромагнитная жидкость?

  • Каков состав ферромагнитной жидкости?

  • Проявляет ли ферромагнитная жидкость ферромагнитные свойства в обычных условиях?

  • Каковы основные области применения ФМЖ?

 

Литература