khoa học

Cách chế tạo nam châm lỏng

April 20, 2023

Nam châm lỏng, hay chất lỏng sắt từ, là hỗn hợp keo của các hạt từ tính (đường kính ~10 nm) trong chất lỏng mang. Khi không có từ trường bên ngoài, chất lỏng không có từ tính và hướng của các hạt từ tính là ngẫu nhiên. Tuy nhiên, khi một từ trường bên ngoài được áp dụng, các mômen từ của các hạt thẳng hàng với các đường sức từ. Khi từ trường bị loại bỏ, các hạt lại sắp xếp ngẫu nhiên.

Những tính chất này có thể được sử dụng để tạo ra một chất lỏng thay đổi mật độ của nó tùy thuộc vào cường độ của từ trường và có thể tạo thành những hình dạng kỳ lạ.

Chất mang chất lỏng của ferrofluid chứa chất hoạt động bề mặt để ngăn các hạt dính vào nhau. Ferrofluids có thể lơ lửng trong nước hoặc trong chất lỏng hữu cơ. Một ferrofluid điển hình có khoảng 5% chất rắn từ tính, 10% chất hoạt động bề mặt và 85% chất mang theo thể tích. Một loại chất lỏng sắt từ mà bạn có thể tạo ra sử dụng từ tính cho các hạt từ tính, axit oleic làm chất hoạt động bề mặt và dầu hỏa làm chất lỏng mang để làm lơ lửng các hạt.

Bạn có thể tìm thấy chất lỏng sắt từ trong các loa cao cấp và trong đầu laser của một số đầu đĩa CD và DVD. Chúng được sử dụng trong các vòng đệm ma sát thấp cho động cơ trục quay và vòng đệm cho ổ đĩa máy tính. Bạn có thể mở ổ đĩa máy tính hoặc loa để lấy nam châm lỏng, nhưng khá dễ dàng (và thú vị) để tạo ra chất lỏng sắt từ của riêng bạn.

Đó là cách:

từ 05

Cân nhắc về Bảo mật

người phụ nữ mặc áo khoác phòng thí nghiệm

Quy trình này sử dụng các chất dễ cháy và tạo ra nhiệt và khói độc. Đeo kính an toàn và bảo vệ da, làm việc trong khu vực thông gió tốt và làm quen với dữ liệu an toàn cho hóa chất của bạn. Ferrofluid có thể làm ố da và quần áo. Giữ nó ngoài tầm với của trẻ em và vật nuôi. Liên hệ với trung tâm kiểm soát chất độc tại địa phương nếu bạn nghi ngờ nuốt phải. Có nguy cơ ngộ độc sắt; chất mang là dầu hỏa.

từ 05

Nguyên vật liệu

dây len thép — hình ảnh jopstock / Getty

Đây là những tài liệu bạn sẽ cần:

amoniac
Axit oleic (được tìm thấy ở một số hiệu thuốc, cửa hàng thực phẩm thủ công và sức khỏe)
PCB etchant (dung dịch sắt clorua), có bán tại các cửa hàng điện tử. Bạn có thể tạo dung dịch clorua sắt hoặc clorua sắt hoặc bạn có thể sử dụng bột từ tính hoặc hematit từ tính nếu bạn có sẵn một trong hai khoáng chất đó. (Hematit từ tính là một khoáng chất rẻ tiền được sử dụng trong đồ trang sức.)
len thép
Nước cất
Nam châm
dầu hỏa
nguồn nhiệt
2 cốc thủy tinh hoặc cốc đo lường
Ống tiêm nhựa hoặc cốc thuốc (loại có dung tích 10 ml)
Giấy lọc hoặc bộ lọc cà phê

Mặc dù có thể thay thế axit oleic và dầu hỏa, nhưng những thay đổi về hóa chất sẽ dẫn đến những thay đổi về đặc tính của chất lỏng sắt từ, ở các mức độ khác nhau. Bạn có thể thử các chất hoạt động bề mặt khác và các dung môi hữu cơ khác; tuy nhiên, chất hoạt động bề mặt phải hòa tan được trong dung môi.

từ 05

tổng hợp từ tính

quả bóng đá nam châm — Ekaterina Lutokhina / Getty Images

Các hạt từ tính trong ferrofluid này bao gồm từ tính. Nếu bạn không bắt đầu với đá nam châm, thì bước đầu tiên là chuẩn bị nó. Điều này được thực hiện bằng cách khử sắt clorua (FeCl ₃ ) trong chất ăn mòn PCB thành sắt clorua (FeCl ₂ ). Sắt clorua sau đó được phản ứng để tạo ra từ tính. Chất ăn mòn PCB thương mại thường là clorua sắt 1,5M, để tạo ra 5 gam từ tính. Nếu bạn đang sử dụng dung dịch gốc clorua sắt, hãy làm theo quy trình với dung dịch 1,5 M.

Đổ 10 ml chất ăn mòn PCB và 10 ml nước cất vào cốc thủy tinh.
Thêm một miếng len thép vào dung dịch. Trộn chất lỏng cho đến khi đạt được sự thay đổi màu sắc. Dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh lục sáng (màu xanh lá cây là FeCl2 ₎ .
Lọc chất lỏng qua giấy lọc hoặc bộ lọc cà phê. Giữ chất lỏng; loại bỏ bộ lọc.
Kết tủa magnetit ra khỏi dung dịch. Thêm 20 mL chất ăn mòn PCB (FeCl ₃ ) vào dung dịch màu xanh lục (FeCl ₂ ). Nếu bạn đang sử dụng dung dịch gốc sắt và sắt clorua, hãy lưu ý rằng FeCl ₃ và FeCl ₂ phản ứng theo tỷ lệ 2:1.
Thêm 150 ml amoniac. Từ tính, Fe ₃ O ₄ , sẽ rơi ra khỏi dung dịch. Đây là sản phẩm bạn muốn thu thập.

từ 05

Hệ thống treo magnetite trên tàu sân bay

người phụ nữ mỉm cười nhìn vào cốc thủy tinh trong phòng thí nghiệm — Westend61 / Getty Images

Các hạt từ tính phải được phủ một lớp chất hoạt động bề mặt để chúng không dính vào nhau khi từ hóa. Các hạt được phủ sẽ được treo trên giá đỡ, do đó dung dịch từ tính sẽ chảy giống như chất lỏng. Vì bạn sẽ làm việc với amoniac và dầu hỏa, hãy chuẩn bị chất mang ở nơi thông thoáng, ngoài trời hoặc dưới tủ hút. Thực hiện theo các bước sau:

Đun nóng dung dịch từ tính đến ngay dưới điểm sôi.
Thêm 5 ml axit oleic. Giữ ấm cho đến khi amoniac bay hơi (khoảng một giờ).
Lấy hỗn hợp ra khỏi bếp và để nguội. Axit oleic phản ứng với amoniac để tạo thành amoni oleate. Nhiệt cho phép ion oleate đi vào dung dịch, trong khi amoniac thoát ra dưới dạng khí (đó là lý do tại sao cần thông hơi). Khi ion oleate liên kết với một hạt từ tính, nó sẽ được chuyển đổi thành axit oleic.
Thêm 100 mL dầu hỏa vào huyền phù từ tính được phủ. Khuấy huyền phù cho đến khi phần lớn màu đen được chuyển sang dầu hỏa. Magnetite và axit oleic không hòa tan trong nước, trong khi axit oleic hòa tan trong dầu hỏa. Các hạt được phủ sẽ rời khỏi dung dịch nước có lợi cho dầu hỏa. Nếu bạn thay thế dầu hỏa, dung môi phải có cùng một tính chất: khả năng hòa tan axit oleic nhưng không tráng men.
Gạn và lưu lớp dầu hỏa. Bỏ nước. Magnetite cộng với axit oleic cộng với dầu hỏa là ferrofluid.

từ 05

Những việc cần làm với ferrofluid

Chất lỏng sắt từ được điều khiển bởi từ trường — Hình ảnh Lyagovy / Getty

Chất lỏng sắt từ bị nam châm hút mạnh, vì vậy bạn phải duy trì một rào cản giữa chất lỏng và nam châm (ví dụ: một tấm kính). Tránh bắn tung tóe chất lỏng. Cả dầu hỏa và sắt đều độc hại, vì vậy đừng nuốt chất lỏng sắt từ hoặc để chất này tiếp xúc với da; không khuấy nó bằng ngón tay hoặc chơi với nó.

Dưới đây là một số ý tưởng cho các hoạt động liên quan đến chất lỏng từ lỏng nam châm lỏng của bạn:

Sử dụng một nam châm mạnh để thả một đồng xu lên trên chất lỏng sắt từ.
Sử dụng nam châm để kéo chất lỏng sắt từ lên các mặt của thùng chứa.
Giữ một nam châm gần chất lỏng sắt từ để xem các đỉnh hình thành như thế nào, theo các đường sức từ.

Khám phá các hình dạng bạn có thể tạo bằng cách sử dụng nam châm và chất lỏng sắt từ. Bảo quản nam châm lỏng của bạn tránh xa nguồn nhiệt và ngọn lửa. Nếu bạn cần vứt bỏ chất lỏng sắt từ của mình, vui lòng vứt bỏ nó giống như cách bạn vứt bỏ dầu hỏa.