1. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ МАГНИНЫХ ЖИДКОСТЕЙ,
ПОЛУЧЕННЫХ ХИМИЧЕСКИМИ И
МЕХАНИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ
Автор:
Морозова Евгения,
ученица 9 класса
МБОУ «Лицей № 3»
Научные руководители:
Шморин И.Т.,к. ф.-м. н., научный
сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ,
Столяров И.В., учитель математики
и информатики МБОУ «Лицей № 3»

2. Цель работы
Получение магнитной жидкости различными
способами, проведении анализа возможных
способов изготовления такой жидкости и выбора
оптимального способа изготовления магнитной
жидкости в условиях школьной химической
лаборатории, воспользовавшись минимальным
набором доступных реактивов и химическим
оборудованием.

3. Получение магнитных жидкостей
Магнитная жидкость представляет
собой коллоидную систему
однодоменных магнитных частиц. 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.

4. Механический способ получения
магнитных жидкостей
Воспользуемся готовыми мелкими фракциями, в качестве которых
использовали обычные тонерные порошки для лазерных принтеров:
1.Магнитный, отрицательно заряжаемый,
стирен-акриловый, механический – HP LJ1200,
Xerox N24.
2.Магнитный, положительно заряжаемый,
стирен-акриловый, механический – Canon
FC/PC, Kyocera FS1020.
3.Немагнитный, отрицательно заряжаемый,
полиэстровый, механический – Samsung
ML1210.
4.Немагнитный, положительно заряжаемый,
стирен-акриловый, механический – Sharp Z50,
Brother HL1240.
Первый и второй типы - магнитные, положительно и отрицательно
заряжаемые, стирен-акриловые тонеры в объеме 80 г были смешаны нами с
100 мл бытового смазочного масла. Полученные жидкости обладают
свойствами магнитной жидкости (3 и 4 типы - магнитных жидкостей не
определяют).

5. Химический способ получения
магнитных жидкостей
В 250 мл дистиллированной воды растворим 12 грамм FeCl 3 и 6 грамм
FeSO4 и полученный раствор отфильтруем через фильтровальную
бумагу в другую колбу.

6. В первую колбу заливаем 75 мл аммиачной воды (работу проводили в
вытяжном шкафу, можно под тягой или на свежем воздухе).
Очень осторожно тонкой струей вливаем из второй колбы
отфильтрованный раствор в первую колбу с аммиачной водой. Необходимо
ее интенсивно взбалтывать. Коричнево оранжевый раствор мгновенно
превращается в суспензию черного цвета.

7. Доливаем к получившемуся раствору немного воды и ставим
колбу с образовавшейся смесью на магнит на полчаса.
После выпадения частиц магнетита на дно колбы (под действием
сил магнитного поля), осторожно сливаем около двух третей
раствора, придерживая осадок магнитом. Снова заливаем воду в
таком же количестве, и хорошо взбалтываем раствор. Опять
ставим колбу на магнит. Повторяем операцию, пока pH сливного
раствора не станет равной 7,5-8,5.

8. После того как последний промывной раствор на 2/3 слит,
загущенную суспензию отфильтруем через бумажный фильтр.
Полученный на воронке осадок смешаем с заранее
отмеренным количеством «Fairy» (3,75г.) в фарфоровой чашке.
Смесь прогреем при 80 градусах в течение часа, хорошо
перемешивая.

9. Охладим полученную смесь до комнатной температуры и добавим
50-60 мл дистиллированной воды и тщательно размешаем.
Разведенную в воде смесь поставим ещё раз на магнит на несколько
часов, после чего магнитная жидкость готова.

10. Химический способ получения
магнитных жидкостей на основе
пирофорного железа
Пирофорное железо было получено путем
разложения оксалата железа (II) FeC2O4 (оксалаты
— соли щавелевой кислоты). Для этого было
взято 9,7 г щавелевой кислоты Н2С2O4 . 2H2O и 18 г
сульфата железа (II)FeSO4 . 7H2O. Эти порошки в
сухом состоянии были смешаны в чашке Петри.
Смесь засыпали в стакан и залили водой (~ 200
мл) и оставили получившуюся непрозрачную
жидкость желто-лимонного цвета на одни сутки
для выпадения осадка.
FeSO4 + Н2С2O4 + 2Н2O = FeC2O4 . 2H2O + H2SO4.
Затем слили жидкость, осадок
отфильтровали и высушили в течение суток на
фильтровальной бумаге, после чего тщательно
растерли в ступе.

11. Поместили полученный
таким образом порошок в
пробирку (не более 1/4 части
по объему) из тугоплавкого
стекла и нагревали под углом
так, чтобы открытая часть
пробирки была выше дна.
Сильно прокалили осадок
над пламенем спиртовки. При
этом сначала испаряется
оставшаяся влага, а затем
начнет разлагаться оксалат
железа (осадок чернеет):
FeC2O4 . 2H2O = Fe + 2CO2+
2H2O.

12. Была получена магнитная
жидкость на основе «чистого»
пирофорного железа с
добавлением ПАВ и воды, а
также на магнетите,
полученном путем сжигания
пирофорного железа, также с
добавлением ПАВ и воды.
Полученные жидкости
обладают свойствами
магнитных жидкостей. У них
меньшая осаждаемость и
«большая» намагниченность по
сравнению с жидкостью,
полученной стандартным
методом химической
конденсации магнетита.

13. Металлографическое исследование
порошков магнитных жидкостей и
основные выводы
В результате измерений частиц порошка получили:
- для порошка №1 – минимальный размер 0,35мкм,
максимальный размер 2,21мкм, средний – 1,0мкм;
- для порошка №2 - минимальный размер 0,35мкм,
максимальный размер 16,32мкм, средний – 1,74мкм; Рис. 1 – Общий вид порошка №1, х1000
- для порошка №3 - минимальный размер 0,58мкм,
максимальный размер 4,15мкм, средний – 1,35мкм.
Результаты исследований подтвердили:
1)меньшая осаждаемость магнитной жидкости на основе
пирофорного железа определяется размерами и формой
частиц (рис.1); Рис. 2 – Общий вид порошка №2, х1000
2)«большая» в сравнении намагниченность магнитной
жидкости определяется достаточно равномерно
распределенными размерами частиц (рис.3).
3)«больший» в сравнении размер частиц (рис.2)
определяет более быструю их осаждаемость.
Рис. 3 – Общий вид порошка №3, х1000

14. Измерительный комплекс для
измерения индукции магнитного
поля в магнитной жидкости
Для измерения магнитной индукции
получающейся жидкости, был создан
комплекс, который позволил нам
произвести необходимые измерения и
расчет полученных данных. Образец –
около 50 мл жидкости помещался в
химический стакан и устанавливался в
песчаной бане: полностью окруженный
специально подобранным мелко зернистым
речным песком в алюминиевой таре,
ставился на лабораторную электроплитку
мощностью 300 Вт. В жидкость опускался
датчик магнитного поля, собранный нами на
микросхеме AD22151YRZ - биполярный
датчик Холла.

15. Датчик линейный, коэффициент пропорциональности зависит от
соотношения сопротивлений резисторов R2 и R3. Выходное напряжение на
датчике может быть рассчитано по формуле:
Схема включения:
AD22151YRZ

16. Питание датчика осуществлялось от автономного источника питания,
собранного на микросхеме КР142ЕН5А [15] и размещенного в корпусе для
РЭА. Используемые при этом детали: микросхема КР142ЕН5А;
конденсаторы C1= 0,1 мкФ, электролитический; C2 = 2,2 мкФ; корпус для
РЭА G1011 65*38*22, Uвх= 9В, источник питания типа «Крона».
Схема включения:

17. Один такой датчик погружался в исследуемую жидкость полностью, другой
зажимался в штативе с таким же расположением.
В жидкость погружались на разную глубину две термопары типа К для более точного
измерения температуры. Для контрольного значения температуры использовался
бытовой мультиметр DT838.
Все датчики магнитного поля и термапары с
помощью коммутирующего блока в корпусе
для РЭА G1011 65*38*22 через разъем DB-
37 подключались к цифровому
многоканальному самописцу «S-Recorder–
E» для снятия показаний, которые
передавались по USB-порту на
персональный компьютер. При этом с
каждого датчика на «S-Recorder–E»
поступали Uвх и Uвых каждого датчика и
потом из выше приведенной формулы
вычислялось значение магнитной индукции
В в Гауссах; с каждой из термопар получали
значение ТЭДС, и с помощью
аппроксимирующих таблиц переводили в
градусы оС.

18. Основные результаты экспериментов
Каждый эксперимент по нагреву каждого из образцов 1 – 4 (тонерные
порошки + масло) и магнитной жидкости, полученной химическим
путем по выше приведенной методике был повторен 3 раза, получены
средние значения, по которым и был построен ниже приведенный
график зависимостей изменения магнитной индукции в нагреваемых
жидкостях без внешнего магнитного поля.
Изменение магнитной индукции в нагреваемых жидкостях
без внешнего магнитного поля
0,9
Магнитная индукция В (в Гауссах)
0,8
0,7
0,6
1 тип
0,5 2 тип
3 тип
0,4 4 тип
МЖ(хим)
0,3
0,2
0,1
0
25 40 55 70 85 100 115 130 145
Температура (в градусах Цельсия)

19. Вливание жидкости в стакан с размещенным датчиком Холла
меняет магнитное поле в зависимости от расположения магнита:
например с 88 Гс оно возрастает до 98 Гс, с 94 Гс до 105 Гс, с 108
Гс до 120 Гс, т. е в среднем не менее чем на 10% увеличивается
значение индукции магнитного поля.
Для 3 различных значений магнитного поля, создаваемого
постоянным магнитом, мы провели эксперимент по нагреву
данной жидкости в пределах температур от 30оС до 100оС.
Жидкость нагревали на песчаной бане, температуру для снятия
образца фиксировали мультиметром DT838.
Температура (оС) 1 опыт (98,6 Гс) 2 опыт (105,4 Гс) 3 опыт (119,7 Гс)
30 98,56966982 105,4129 119,7082
40 110,6294574 117,7702 132,178
50 110,1388883 118,0773 133,3978
60 109,584133 117,1674 133,7516
70 115,7528965 128,0901 142,3662
80 115,0447423 120,969 140,8757
90 107,6313213 116,8105 139,8831
100 120,912453 129,8945 147,8076

20. Полученные зависимости качественно показывают увеличение индукции
магнитного поля от увеличения температуры.
Изменение магнитной индукции при нагревании магнитной
жидкости при различых значениях внешнего магнитного
поля
150
Магнитная индукция В
140
(в Гауссах)
130 98,6 Гс
120 105,4 Гс
110 119,7 Гс
100
90
30 40 50 60 70 80 90 100
Температура (в градусах Цельсия)
Из таблицы и графиков видно, что увеличение в 1 опыте составило почти
22,3 Гс; в 2 опыте 24,5 Гс; в 3 опыте – 28,1 Гс, т.е . не менее 20% от
начального значения, что еще раз свидетельствует в пользу использования
данной магнитной жидкости.

21. Заключение
Жидкости, полученные механическим способом, могут быть
применены только в качестве кратковременного демонстрационного
материала. Переход в полимерное состояние и их осаждаемость делают
их мало применимыми для использования.
Магнитные жидкости на основе «чистого» пирофорного железа, а
также на магнетите, полученном путем сжигания пирофорного железа,
обладают свойствами магнитных жидкостей и являются перспективными
ввиду своих свойств («большей» намагниченности и меньшей
осаждаемости частиц), однако производство такой жидкости в больших
объемах достаточно затруднительно вследствие возможного возгорания
пирофорного железа.
Результаты данной исследовательской работы могут быть
использованы для изготовления магнитной жидкости в школьных или
домашних условиях, представленный в работе измерительный комплекс
может быть использован для проведения различных магнитометрических
исследований разнообразных физических процессов.