Рассказ к презентации. Природа магнитных полей в веществе

• Название: Природа магнитных полей в веществе
• Анкор: Рассказ к презентации
• Дата: 08.08.2021
• Размер: 34.01 Kb.
• Имя файла: Рассказ к презентации.docx
• Тип: Документы; #226432

Природа магнитных полей в веществе

• 
  Различают вещества с парамагнитными, диамагнитными и ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики и антиферромагнетики относятся к веществам интенсивно взаимодействующим с магнитным полем. Слабый магнитный эффект диа - и парамагнетиков имеет разный знак. Так, маленький цилиндр из висмута слабо выталкивается из области сильного магнитного поля заостренного полюса, как и другие диамагнетики. Цилиндр из алюминия незначительно смещается в сторону сильного поля, как и другие парамагнетики.
  
• 
  Главным свойством магнетиков является намагничивание. Намагничиванием называется явление возникновения в веществе объемного макроскопического магнитного момента. Происхождение магнитного момента связано с незатухающими кольцевыми токами внутри атомов и молекул вещества, по аналогии с тем, как стационарные магнитные поля порождаются электрическими токами. Токи, создающие магнитные моменты и не дающие вклад в макроскопические токи проводимости, называются токами намагничивания. Магнитный момент атома складывается из трех магнитных моментов: электронного орбитального, электронного спинового и ядерного.
  

Сущность явлений диамагнетизма и парамагнетизма

• 
  Слабо-магнитные делят на парамагнетиков(1) и диамагнетиков(2). Их отличие состоит в том, что при намагничивании магнитное поле первых направляется к внешнему полю, а поле вторых – против.
  
• 
  Отсюда следует, что парамагнетики μ>1, а диамагнетики μ<1.
  
• 
  Наличие пара- или диамагнетизма обусловлено поведением орбит на внешнем магнитом поле. Диамагнитные вещества при отсутствии внешнего поля имеются собственные магнитные и создаваемые орбитальным движением электронов поля. Они считаются скомпенсированными.
  
• 
  Атомы парамагнитных веществ отличаются тем, что имеется неполная скомпенсированность электронов. Тогда атом находится в небольшом круговом токе. Если внешнее поле отсутствует, тогда микротоки произвольны, а суммарная индукция равняется нулю. При его ориентирующем действии микротоки действуют таким образом, что поля имеют то же направление, что и индукция внешнего поля.
  

Ферромагнетизм. Гистерезис

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией напряженности внешнего магнитного поля, зависимость J(H) не линейная, намагниченность имеет предел, называемый намагниченностью насыщения.



Зависимость B(H) также не линейная, кривая намагничивания ферромагнетиков в периодическом магнитном поле H (рис. 63) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса. Результирующая намагниченность B в нулевом внешнем поле сначала равна нулю (точка O ). По мере роста H намагниченность увеличивается и достигает некоторой постоянной величиныB_нас, выше которой она уже не поднимается, несмотря на дальнейшее увеличение поля H . Намагниченность не увеличивается безгранично при увеличении напряженности внешнего магнитного поля, а имеет предел, называемый намагниченностью насыщения. Когда поле H уменьшается до нуля, намагниченность B все еще будет иметь конечную положительную величину, т.е. остаточную намагниченность (отрезок OD), ферромагнетик в этом состоянии называется постоянным магнитом. Для достижения нулевой намагниченности (точка С) требуется приложить обратное размагничивающее поле. Эта напряженность называется задерживающей или коэрцитивной силой ферромагнетика.



Материалы с малым значением коэрцитивной силы называются “мягкими” в магнитном отношении материалами. Магнитная проницаемость таких материалов большая и они используются в электротехнике переменных полей, в частности в трансформаторах.

Высококоэрцитивные материалы классифицируются как “жесткие” в магнитном отношении материалы. Магнитная проницаемость таких материалов относительно низкая, они очень трудно намагничиваются и размагничиваются, используются для создания постоянных магнитов.

Для всякого ферромагнетика существует температура, при переходе через которую он теряет свои ферромагнитные свойства. Эта переходная температура называется точкой Кюри. Для чистого железа  770 °С, для чистого никеля  358 °С.

Основные понятия о магнитных жидкостях.

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.

Для агрегативной устойчивости коллоидных систем с магнитными частицами необходимо, чтобы сближение частиц вызывало появление сил отталкивания между ними. Это достигается путем введения в МЖ определенного количества стабилизатора – поверхностно-активного вещества (ПАВ). Образованный на поверхности частиц молекулами ПАВ адсорбционный слой создает структурно-механический барьер, препятствующий укрупнению частиц из-за их слипания. Обычно в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных органических молекул, строение которых характеризуется наличием короткой функциональной группы (щелочной, кислотной и др.) и длинной хвостовой цепочки (углеводородной, фторуглеродной и др.). Как правило, в качестве классического стабилизатора для магнитных жидкостей используется олеиновая кислота.

Свойства магнитных жидкостей

• 
  Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью – в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц, которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения.
  
• 
  У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная структура из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле».
  
• 
  Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным 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.
  

Дисперсионные методы получения магнитных жидкостей

• 
  Методы диспергирования заключаются в измельчении грубых частиц твердых тел до коллоидных размеров. Впервые магнитная жидкость этим способом была получена С. Пайпеллом путем размалывания в шаровой мельнице в течение 3 месяцев грубодисперсных частиц магнетита в смеси керосина и олеиновой кислоты как стабилизатора. Основными недостатками этого метода явились низкая производительность, а также загрязнение магнитной жидкости продуктом истирания шаров при работе мельницы. Кроме того, полученная этим способом дисперсная фаза характеризовалась значительным разбросом частиц по размерам.
  
• 
  Важную роль в получении коллоидных систем играет пептизация высокодисперсных частиц, полученных тем или иным способом, в дисперсионной среде. Метод пептизации заключается в переводе в коллоидный раствор осадков, первичные частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Пептизация может осуществляться действием электролита или поверхностно-активного вещества на осадок.
  

Методы конденсации получения магнитных жидкостей

• 
  Задача получения устойчивых и высокомагнитых МЖ успешно решается и с использованием методов конденсации. Конденсационные методы основаны на соединении отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты коллоидных размеров. Получение магнитных жидкостей методом конденсации первоначально начали использовать для частиц магнитных металлов. Одним из первых был развит карбонильный метод, основанный на термическом разложении карбонилов металлов. При разложении карбонилов металлов образуются высокодисперсные частички чистых металлов:
  

Fe(CO)5→ Fe + 5CO

• 
  Одним из вариантов метода конденсации явилась химическая конденсация высокодисперсного магнетита, предложенная В. С. Элмором в 1938 году, в основе которой лежит реакция:
  

2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NaOH→ Fe3O4↓ + 8NaCl + 4H2O.

• 
  Замена гидроксида натрия (NaOH) на гидроксид аммония (NH4 OH, 25 %-ный) позволила создать более мягкие условия соосаждения солей, что способствовало образованию в ходе реакции осадка FeO·Fe2O3 с определённым соотношением оксидов:
  

2FeCl3 + FeCl2 + 8NH4OH → Fe3O4↓ + 8NH4Cl + 4H2O

Методом химического осаждения

• 
  Способ получения магнитной жидкости, включающем получение высокодисперсных частиц магнетита методом химического соосаждения, стабилизацию частиц магнетита осуществляют добавлением дикарбоновой кислоты к частицам магнетита, постепенным нагревом полученной суспензии до температуры 40-90°С при перемешивании для взаимодействия частиц магнетита с дикарбоновой кислотой, с промывкой суспензии последовательно водой и ацетоном, сушкой суспензии и добавлением спирта к полученному осадку, после чего осуществляют диспергирование стабилизированных частиц магнетита, при этом в качестве дикарбоновой кислоты используют терефталевую или адипиновую, или другие высокомолекулярные дикарбоновые кислоты с числом углеродных атомов С₆-С₁₂, стабилизацию частиц магнетита осуществляют циклопентануксусной кислотой, диспергирование стабилизированных частиц магнетита осуществляют в полиметилсилоксановой жидкости. Перед стабилизацией полученный магнетит промывают дистиллированной водой до рН=7. Промывку стабилизированных частиц магнетита проводят ацетоном. Полиметилсилоксановую жидкость добавляют в ацетоновую суспензию стабилизированных частиц магнетита. Сушку стабилизированных частиц магнетита и диспергирование стабилизированных частиц магнетита в полиметилсилоксановой жидкости осуществляют в процессе пептизации при температуре 80°С в течение 24 часов под вакуумом. В качестве полиметилсилоксановой жидкости используют полиметилсилоксановую жидкость ПМС-100.
  

Готовят водные растворы солей двух- и трехвалентного железа и водный раствор аммиака. Водные растворы солей двух- и трехвалентного железа смешивают. Высокодисперсные частицы магнетита, полученные осаждением из раствора солей двух- и трехвалентного железа водным раствором аммиака, отделяют от маточного раствора декантацией и многократно промывают дистиллированной водой до рН=7. К водной суспензии высокодисперсных частиц магнетита добавляют стабилизатор. Суспензию нагревают до температуры 50°С при перемешивании. Водную суспензию стабилизированных частиц магнетита промывают ацетоном, при этом водно-ацетоновую смесь отделяют от стабилизированных частиц магнетита декантацией. К ацетоновой суспензии стабилизированных частиц магнетита добавляют жидкость-носитель - полиметилсилоксановую жидкость. Смесь тщательно перемешивают и пептизируют при температуре 80°С в течение 24-х часов под вакуумом. При этом происходит удаление из массы ацетона и диспергирование высокодисперсных стабилизированных частиц магнетита в жидкости-носителе.

Применение магнитных жидкостей в технике

• 
  Одной из областей применения магнитных жидкостей является их использование в качестве магнитных смазок. МЖ на основе масла по сравнению с тем же маслом снижает трение на 20 % эффективнее. Трение минимально, поскольку основой МЖ является масло, а размер содержащихся в ней твердых частиц на несколько порядков меньше шероховатостей идеально отполированных трущихся деталей. Дополнительным преимуществом использования МЖ в качестве смазок заключается в том, что магнитные жидкости, удерживаемые магнитным полем, не будут вытекать из агрегата. Кроме того, магнитные жидкости будут препятствовать попаданию, например, в подшипники посторонних немагнитных частиц (МЖ под воздействием магнитного поля выталкивают немагнитные материалы).
  

Применение магнитных жидкостей в экологии

В последние годы огромный интерес для исследователей представляет возможность очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью магнитных жидкостей. В основе процесса лежит принцип омагничивания нефтепродуктов путем добавления МЖ в сточные воды и последующего отделения омагниченных нефтепродуктов специальными магнитными системами.

Магнитную жидкость можно применять для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Часто случается так, что человек не в состоянии предотвратить загрязнение нефтепродуктами поверхности воды, например, при аварии танкера с нефтью, когда громадное пятно покрывает многие квадратные километры моря, загрязняя все вокруг. Очистка воды от таких загрязнений – дело очень трудное, долгое и не всегда выполнимое. Но и здесь помогает магнитная жидкость. На разлившееся пятно с вертолета разбрызгивают небольшое количество магнитной жидкости, которая быстро растворяется в нефтяном пятне, затем в воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться в точку, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.

Применение магнитных жидкостей 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. Также можно перемещать в организме ферменты. Магнитоуправляемые частицы магнетита используются для лечения рака. Этот метод лечения (гипертермия) основан на том, что под действием переменного магнитного поля частицы магнетита разогреваются, подавляя рост раковых клеток.
  

Вывод

• 
  В данной работе были рассмотрены свойства, методы получения и области применения магнитных жидкостей. Основной трудностью при изготовлении является стабилизация коллоидных частиц в растворе. Данная проблема успешно решается с помощью поверхностно-активных веществ. Возможность управления свойствами магнитной жидкости посредством магнитного поля обусловила её широкое применение в механических (гермитизаторы, подшипники) устройствах. Также магнитные жидкости применяются в экологии- очистка сточных вод от нефтепродуктов с помощью магнитных жидкостей. Немаловажным является возможность применения магнитной жидкости в медицине – доставка лекарственных препаратов.