Submitted by Елена Евгеньевна Веселовская on чт, 22/01/2015 - 18:07
Х городской конкурс реферативно-исследовательских работ
«Интеллектуалы XXI века» (для учащихся 1-8 классов
УМНАЯ ЖИДКОСТЬ, КОТОРАЯ ИЗМЕНИТ МИР
(Естествознание (физика)
Автор:
Волович Алексей Александрович
МБОУ прогимназия № 133,
класс 4
Руководитель:
Пахомова Инна Витальевна,
учитель начальных классов
высшей категории
Челябинск, 2015
Содержание
Введение 3
Часть 1. Умеет “выпячиваться и течь”
1.1 Ферромагнитная жидкость – что это? 4
1.2.Области применения ферромагнитных жидкостей 4
Часть 2. Приготовление ферромагнитной жидкости и экспериментальное исследование её свойств 6
Заключение 8
Список литературы 9
Приложение А. Ферромагнитная жидкость в домашних условиях
Приложение Б. Опыты с ферромагнитной жидкостью
Приложение В. Опыты с магнитным “умным пластилином”
Введение
Чем больше знакомишься с наукой,
тем больше любишь её.
(Чернышевский Н.Г.)
В научных лабораториях XXI века по всему миру происходит настоящая революция. Учёные получили возможность работать с материей в наномасштабах. Кроме того, они черпают новые идеи в природных материалах. При этом, чаще всего современные открытия совершаются на стыке наук, например, химии и биологии, физики и химии... В результате рождаются новые вещества со свойствами, которые раньше можно было встретить только в научной фантастике.
Моя работа посвящена ферромагнитным жидкостям, которые уникальны тем, что сочетают в себе несколько, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Эти удивительные жидкости, с одной стороны, обладают текучестью, а с другой, способны взаимодействовать с магнитным полем и резко повышать свою вязкость (вплоть до полного затвердевания), легко меняя форму и принимая самые причудливые очертания. Сразу возникает яркая ассоциация – жидкометаллический терминатор из одноимённого фильма, принимающий любую форму.
Интерес к данной теме возник у меня год назад, когда я работал над проектом “Неньютоновские жидкости: исследование свойств и областей применения” и защищал его на конкурсе “Шаг в будущее”. Тогда я и узнал о новейших технологиях, позволяющих использовать “умные” жидкости (в том числе – ферромагнитные). “Умные” жидкости активно реагируют на изменения окружающей среды и изменяют свои свойства в зависимости от обстоятельств. Главное, ими можно управлять, заранее программировать их поведение.
Таким образом, обладая необычными свойствами, ферромагнитные жидкости очень интересны для изучения и перспективны с точки зрения практической науки.
Цель данной работы: исследовать свойства и прикладное значение ферромагнитных жидкостей.
Задачи проекта:
1.
2.
3.
4.
Методы исследования:
Изучение литературных источников, Интернет-ресурсов;
Опытно-экспериментальная работа;
Наблюдение;
Мозговой штурм;
Анализ полученных результатов.
Часть 1. Умеет “выпячиваться и течь”
1.1. Ферромагнитная жидкость – что это?
Все жидкости обладают разными свойствами: плотностью, текучестью, температурой кипения и многими другими. Одно из основных свойств жидкости – вязкость. Вязкость — это внутреннее сопротивление течению жидкости (вязкость воды, например, хорошо ощущается при работе вёслами).
Ферромагнитные жидкости отличаются от всех прочих жидкостей тем, что, обладая высокой текучестью, под воздействием магнитного поля способны сильно повышать свою вязкость – вплоть до полной нетекучести – и мгновенно менять форму.
В чём секрет таких необычных свойств этих жидкостей? Оказывается, всё дело в содержащихся в них во взвешенном состоянии металлических наночастиц – ферромагнетиков (от латинского “ferrum” – железо). Эти частицы настолько малы, что они не оседают и не слипаются в комок, благодаря чему ферромагнитная жидкость сохраняет полную “боевую готовность” несколько лет. Пока частицы располагаются беспорядочно, жидкость течёт свободно. При воздействии магнитного поля частицы выстраиваются определенным образом, и жидкость становится гораздо более вязкой, у неё проявляются магнитные свойства.
Итак, ферромагнитная жидкость – это уникальный материал, обладающий всеми преимуществами жидкости (малым трением в контакте с твёрдым телом, возможностью проникать в микрообъёмы, способностью смачивать разные поверхности и т.д.). В то же время, ферромагнитная жидкость подчиняется действию магнитного поля, что позволяет удерживать её в нужном месте устройства и менять её форму.
Области применения ферромагнитных жидкостей
То, что сегодня наука, –
завтра техника.
(Эдвард Теллер,
американский физик)
Изучив различные Интернет-ресурсы [3; 5; 6; 11; 12] и научно-популярные журналы [1; 7; 8], я убедился в том, что уникальные свойства ферромагнитных жидкостей уже нашли своё применение в самых разных областях техники, экологии, медицины... Остановлюсь на некоторых наиболее интересных областях применения магнитных жидкостей:
В компьютерных технологиях.
Контролируемые магнитами эти жидкости обволакивают вращающиеся оси жёстких дисков. Жидкость образует барьер, препятствующий попаданию частиц извне внутрь жёсткого диска.
В акустических динамиках.
Компания “Sony” первой начала использовать магнитную жидкость, что позволило увеличить уровень громкости и добиться более чистого звучания. Жидкость вместо твёрдой шайбы устраняет дополнительный источник искажений.
В автомобильной промышленности.
Компания “Ferrari” заливает магнитную жидкость в амортизаторы своих автомобилей. Под действием электромагнита, контролируемого компьютером, жидкость может мгновенно становиться более вязкой или более текучей, а значит, и подвеска становится жёстче или мягче.
4. В технике.
Используется в подшипниках в качестве «вечной» смазки и уплотнителя.
5.В экологии.
Удаление нефтяной плёнки с поверхности моря при экологических катастрофах. На пятно нефти распыляется немного ферромагнитной жидкости, она растворяется в нефти, а затем плёнка удаляется мощными электромагнитами.
6.В производстве игрушек.
Магнитная “жвачка для рук” (“умный пластилин”) – оригинальная игрушка для развития воображения, мелкой моторики и снятия напряжения с кистей рук.
7.И даже в современном искусстве.
В 2000-е годы Сачико Кодама (японская художница, физик, автор техники «Ферромагнитная скульптура») создаёт интерактивную выставку, материалом для которой служит ферромагнитная жидкость. Совместив науку и искусство, она заставляет эту жидкость ожить, «задышать», разбрызгаться и соединиться, ощетиниться или вырасти в гладкую башенку – прямо на глазах у зрителей.
Отмечу, что хотя первая ферромагнитная жидкость была получена ещё в 60-е годы XX века, во всём мире поиск областей, где можно было бы эффективно использовать её свойства, продолжается. Существует много перспективных разработок. Например, канадские исследователи работают над созданием зеркал телескопов нового поколения на основе ферромагнитных жидкостей. В США учёные пробуют применить эти жидкости для управления космическими аппаратами и даже для лечения слепоты и рака.
Использовав метод “мозгового штурма”, я сам придумал возможные области примененияферромагнитных жидкостей (они могут появиться в будущем с развитием науки):
№
Где будут применены
Свойство ферромагнитной жидкости
1
Создание мышц в робототехнике.
Вместо нервного импульса подаётся электромагнитный, в результате которого искусственная мышца сокращается, как человеческая.
Реакция на магнитное поле
2
“Пассажирские капсулы” на магнитной подушке.
Позволят достигать скоростей свыше 500 км/ч (устранение трения колёс с дорожным покрытием).
Реакция на магнитное поле
3
Развлекательный аттракцион “Ферропарк”.
Пластиковые горки, как в аквапарке, но вместо воды – ферромагнитная жидкость, вместо надувных резиновых камер – магнитные лодочки. Преимущества: малый угол наклона горок и высокие скорости при этом; безопасное торможение под воздействием магнитного поля; возможность использования в холодное время года (подходит для нашего климата).
Позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным трением
4
Жидкометаллические роботы-трансформеры.
Могут растечься лужицей, проникнуть в любые щели и, затвердевая, принять любую форму.
Изменение формы под действием магнитного поля
Итак, можно сделать вывод, что использование ферромагнитных жидкостей – очень перспективное направление в науке, которое будет иметь всё большее практическое значение в будущем. Поэтому исследования свойств ферромагнитных жидкостей актуальны и совершенно необходимы.
Часть 2. Приготовление ферромагнитной жидкости
и экспериментальное исследование её свойств
Из разных литературных источников я узнал, что ферромагнитную жидкость можно сделать самостоятельно. Но многие авторы предлагали способы получения этой жидкости в лабораторных условиях, то есть рассчитанные на учащихся старших классов и студентов. Наконец, я нашёл способ приготовления ферромагнитной жидкости [9] и решил доказать, что он действительно осуществим в домашних условиях.
Для приготовления ферромагнитной жидкости мне понадобились:
чёрный тонер (для лазерного принтера) с металлическими частицами;
оливковое масло;
стеклянная банка;
деревянная палочка.
В банку я насыпал 1 чайную ложку порошка тонера, добавил оливкового масла так, чтобы, смешав их, получить жидкость, по густоте напоминающую сметану (Приложение А).
Анализ полученных результатов.
Получившаяся жидкость при поднесении магнита заметно вспучивалась, а сам магнит удерживался под дном банки (Рисунки А.4, А.5). Я опустил магнит в виде шайбочки в банку – жидкость мгновенно обволокла его, сделавшись густой и упругой на ощупь (Рисунки А.6, А.7). Таким образом, жидкость реагировала на магнитное поле.
Вывод: я получил магнитную жидкость в домашних условиях.
Чтобы экспериментально проверить свойства ферромагнитной жидкости, я взял жидкость промышленного производства, потому что она ещё более ярко проявляет свои свойства.
Опыт №1. Реакция ферромагнитной жидкости на магнит (Приложение Б).
Налил магнитную жидкость тонким слоем в ёмкость и снизу поднёс магнит. Поверхность жидкости вздулась бугром, упругим на ощупь. Затем она покрылась «шипами», похожими на колючки ежа, что объясняется увеличением давления жидкости в области магнитного поля (Рисунки Б.1 – Б.6). Если двигать магнит, вместе с ним, “как привязанный”, будет двигаться и “ёж”.
Если поднести магнит сбоку, то жидкость полезет на стенку и может подняться за магнитом как угодно высоко. Меняя направление движения магнита, можно создать рисунок на стенке ёмкости.
Опыт №2.
Взял стержневой магнит с шайбочкой наверху (Рисунок Б.7) и стал лить на него ферромагнитную жидкость – она задерживается на верхушке магнита и образует форму ёжика, большего по размеру, чем шайбочка (Рисунки Б.8, Б.9).
Если попытаться пронести сквозь “иголки” листок бумаги, то ферромагнитная жидкость и на нём мгновенно образует форму ежа (Рисунки Б.10 – Б.13).
Свойствами ферромагнитной жидкости обладает и магнитный “умный пластилин”. Это наглядно демонстрируют мои опыты, проведённые с ним (Приложение В).
Опыт №1. Поглощение магнитов.
Поднёс к комку “умного пластилина” два магнита – сразу чувствуется притяжение между ними и магнитным пластилином. Магнит-кубик положил сбоку, магнит-кольцо – сверху на “умный пластилин”. Затем наблюдал и делал фотоснимки каждые 10 секунд (Рисунки В.1 – В.10). В результате магниты полностью исчезли внутри “умного пластилина”.
Опыт №2. Взаимодействие с магнитом и пластмассовыми кубиками.
Но может быть “умный пластилин” поглотит любой предмет? Я расположил один пластмассовый игральный кубик сверху, второй сбоку и магнит-кубик для сравнения – с другой стороны пластилинового комка. Затем наблюдал и делал фотоснимки каждые 20 секунд (Рисунки В.1 – В.10). В результате магнит полностью исчез внутри “умного пластилина”, а пластмассовые кубики не сдвинулись с места, что подтверждает взаимодействие ферромагнитной жидкости только с магнитом.
Я заметил, что этот опыт потребовал больше времени, чем первый. Могу объяснить это тем, что в первом опыте не только магнитный пластилин притягивался к магнитам, но и сами магниты стремились друг к другу.
Опыт №3. Вытягивание “умного пластилина” вслед за удаляющимся магнитом.
Я слепил из “умного пластилина” мышку с хвостиком длиной 2 см. Поднёс близко к кончику её хвоста магнит и стал потихоньку отодвигать его. Кончик хвоста потянулся вслед за магнитом, не касаясь его, и растянулся в 4 раза – до 8 см (Рисунки В.23 – В.30).
Так “умный пластилин”, изготовленный на основе ферромагнитной жидкости, позволил управлять им с помощью магнитов и показал характерные свойства ферромагнитной жидкости.
Заключение
Поставленная цель работы достигнута: мне удалось исследовать свойства и прикладное значение ферромагнитных жидкостей.
Выводы:
Ферромагнитную жидкость можно приготовить в домашних условиях.
Свойства ферромагнитной жидкости очень интересны и необычны: в покое она текуча, а под воздействием магнитного поля она приобретает новые свойства, мгновенно повышая свою вязкость и обретая новую форму. Опыты по взаимодействию ферромагнитной жидкости с магнитами подтвердили это.
Применение ферромагнитных жидкостей – одно из перспективных направлений будущего! Можно найти ещё много способов применения свойств этих жидкостей, которые – с развитием науки – смогут реализоваться. И тогда ферромагнитные жидкости улучшат жизнь людей, помогут человеку более продуктивно работать с техникой и совершать новые открытия!
Список литературы
Грэм-Роу Д. Десять материалов, которые преобразят мир // Наука в фокусе. – 2013. – сент. – С.45.
Каку М. Физика невозможного. – М.: Альпина нон-фикшн, 2010. – 456с.
Красивые эксперименты с ферромагнитной жидкостью // http:// www.smotretvideo.com
Леенсон И.А. Превращения вещества. Химия: Энциклопедия ОЛМА. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2013. – 303с.
Магнитное поле как произведение искусства: инсталляции Sachiko Kodama // http://www.kulturologia.ru
