Номер 3, страница 182 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Электромагнитные явления. Параграф 42. Передача электрической энергии. Темы докладов и проектов - номер 3, страница 182.

Условие.

3. Эксперименты с магнитной жидкостью.

Решение.

Магнитная жидкость (или феррожидкость) — это коллоидная система, состоящая из мельчайших ферромагнитных частиц (обычно размером около 10 нанометров), взвешенных в жидкой основе (например, воде, масле или органическом растворителе). Чтобы частицы не слипались под действием магнитных сил и сил Ван-дер-Ваальса, их покрывают специальным поверхностно-активным веществом (сурфактантом). В результате получается жидкость, которая сильно намагничивается в присутствии внешнего магнитного поля и ведёт себя как жидкий магнит.

С магнитной жидкостью можно провести ряд наглядных и впечатляющих экспериментов, демонстрирующих её уникальные свойства.

Неустойчивость нормального поля (неустойчивость Розенцвейга)

Это самый известный эксперимент с магнитной жидкостью. Если поднести снизу к плоскому слою магнитной жидкости достаточно сильный постоянный магнит, её гладкая поверхность мгновенно покрывается острыми конусообразными пиками, образуя структуру, напоминающую ежа. Это явление называется неустойчивостью Розенцвейга.

Возникновение пиков объясняется конкуренцией нескольких сил. Силы магнитного поля стремятся вытянуть жидкость вдоль силовых линий, которые перпендикулярны поверхности. Этому противодействуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся сохранить минимальную площадь поверхности (то есть плоскую форму), и сила тяжести, которая также стремится сделать поверхность плоской. Когда напряжённость магнитного поля превышает некоторый критический порог $H_{крит}$, магнитные силы побеждают, и на поверхности жидкости самопроизвольно образуется устойчивый узор из пиков и впадин. Расстояние между пиками зависит от свойств жидкости (намагниченности, поверхностного натяжения) и напряжённости поля.

Ответ: При воздействии достаточно сильного перпендикулярного магнитного поля гладкая поверхность магнитной жидкости покрывается острыми пиками, ориентированными вдоль силовых линий поля.

Левитация в магнитной жидкости

Магнитная жидкость позволяет продемонстрировать эффект левитации немагнитных тел. Если в сосуд с феррожидкостью поместить немагнитный предмет (например, кусочек пенопласта или пластика), он будет плавать на поверхности или утонет в зависимости от его плотности. Однако если поднести к сосуду магнит, поведение тела изменится.

Магнит притягивает к себе окружающую жидкость, создавая в ней градиент давления. В области сильного поля плотность магнитной жидкости эффективно увеличивается из-за действия пондеромоторных сил. На погружённое в жидкость тело начинает действовать «магнитная» выталкивающая сила Архимеда. Если эта сила окажется достаточной, чтобы скомпенсировать силу тяжести, немагнитное тело всплывёт и будет левитировать внутри жидкости. По сути, тело выталкивается из области сильного поля более плотной (в магнитном смысле) жидкостью. Таким образом, можно заставить левитировать даже те тела, плотность которых значительно выше плотности самой жидкости.

Ответ: В магнитном поле феррожидкость способна выталкивать и удерживать в состоянии левитации немагнитные тела, даже если их плотность больше плотности жидкости.

Формирование лабиринтных структур

Если поместить тонкий слой магнитной жидкости между двумя параллельными стеклянными пластинами и приложить перпендикулярное им однородное магнитное поле, можно наблюдать образование сложных узоров. При слабом поле жидкость остаётся однородной. При увеличении напряженности поля до критического значения жидкость распадается на отдельные капли, которые затем сливаются, образуя сложные, ветвящиеся структуры, похожие на лабиринт или дендриты.

Это явление связано с конкуренцией между магнитной энергией, которая стремится собрать частицы вместе, и энергией поверхностного натяжения на границе жидкости и воздуха (или второй жидкости, если используется несмешивающаяся пара). Система стремится минимизировать свою полную энергию, что и приводит к формированию таких сложных узоров. Форма лабиринта зависит от напряженности поля, толщины слоя жидкости и её магнитных свойств.

Ответ: В тонком слое под действием перпендикулярного магнитного поля магнитная жидкость формирует сложные лабиринтные узоры из-за баланса магнитных сил и сил поверхностного натяжения.

Создание самовосстанавливающегося уплотнения

Одно из практических применений магнитной жидкости, которое можно легко смоделировать, — это создание герметичных уплотнений для вращающихся валов. Для этого на вал надевается кольцевой постоянный магнит, а зазор между валом и корпусом заполняется магнитной жидкостью.

Магнитное поле удерживает жидкость в зазоре, образуя идеальное жидкостное уплотнение. Такое уплотнение обладает очень низким трением (по сравнению с твердотельными аналогами), способно выдерживать перепады давления и полностью предотвращает утечку газов или попадание пыли. Если уплотнение нарушается (например, из-за скачка давления), магнитное поле мгновенно «залечивает» разрыв, возвращая жидкость на место. Подобные уплотнения используются в вакуумной технике, компьютерных жестких дисках и другом высокотехнологичном оборудовании.

Ответ: Магнитная жидкость, удерживаемая в зазоре кольцевым магнитом, может служить высокоэффективным, герметичным и самовосстанавливающимся уплотнением для вращающихся деталей.