Física C Trabajo especial Ferrofluidos

Grondona – Sánchez Arruiz - Valero

Trabajo Práctico Ferrofluidos

Integrantes: Grondona, Francisco Sánchez Arruiz, Agustín

Valero, Germán

Docente: Larrondo, Hilda Año: 2007 Matería: Física C

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Síntesis de ferrofluidos El propósito de este trabajo fue la preparación de ferrofluidos, uno a base de cloruro férrico y ferroso y otro con aceite comestible y toner. Las partículas magnéticas utilizadas en la preparación de los ferrofluidos se obtuvieron por precipitación química. Una vez obtenidos los fluídos se llevaron a cabo dos experiencias. Propiedades de los ferrofluidos Un ferrofluido es un líquido que se polariza en presencia de un campo magnético. Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido portador, que comúnmente es un solvente orgánico o agua. Las nanopartículas ferromagńeticas están recubiertas de un surfactante para prevenir su aglomeración a causa de las fuerzas magnéticas y de van der Waals. Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no retienen su magnetización en ausencia de un campo aplicado de manera externa. De hecho, los ferrofluidos muestran paramagnetismo y normalmente se identifican como "superparamagnéticos" por su gran susceptibilidad magnética. Un auténtico fluido ferromagnético es difícil de crear en la actualidad, requiriendo elevadas temperaturas y levitación electromagnética. Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas microscópicas, normalmente magnetita, hematita o algún otro compuesto con contenido de Fe2+ or Fe3+. Las nanopartículas típicamente son del orden de 10 nm. Esto es lo suficientemente pequeño para que la agitación térmica las distribuya uniformemente dentro del fluido portador, así como para contribuir a la respuesta magnética general del fluido. Esto es análogo a la forma como los iones de una solución salina acuosa paramagnética (por ejemplo, una solución acuosa de sulfato de cobre o cloruro de manganeso) le confieren dichas propiedades paramagnéticas. Un verdadero ferrofluido es estable; esto significa que las partículas sólidas no se aglomeran o separan en fase, aún bajo la influencia de campos magnéticos muy intensos. Sin embargo, el surfactante tiende a descomponerse al paso del tiempo (algunos años) y eventualmente las nanopartículas se aglomeran y separan, dejando de contribuir a la respuesta magnética del fluido. Al sujetar un fluido paramagnético a un campo magnético vertical de suficiente intensidad, la superficie espontáneamente forma un patrón corrugado muy regular. Este notable efecto es conocido como inestabilidad bajo campo normal. La formación corrugada incrementa la energía gravitacional y de superficie libre del líquido, pero reduce la energía magnética. Las formaciones aparecen únicamente al exceder un valor crítico para el campo magnético, cuando la reducción de energía magnética sobrepasa el incremento en energía de superficie y gravitación. Los ferrofluidos tienen una susceptibilidad magnética muy elevada y el campo magnético crítico requerido para la aparición de patrones corrugados puede alcanzarse con un pequeño magneto.

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Fluido 1 Colocamos en un vaso de precipitado aceite 10 (sae) y toner de fotocopiadora laser, relación 1 a 1. Luego mezclamos mediante el uso de un agitador magnético hasta obtener un fluido de color negro sin partículas en suspensión.

Fluido 2

Preparación de las partículas de magnetita Las partículas de magnetita se prepararon mediante la técnica de precipitación química, que consistió en mezclar una solución de cloruro férrico (FeCl3.6H2O) y sulfato ferroso (FeSO4.4H2O) al 0.1 M con agitación mecánica a una velocidad de 2000 rpm. La relación molar de FeCl3:FeSO4 fue constante con un valor de 2:1. Esta solución se calentó hasta una temperatura de 70 °C, inmediatamente se aumento la velocidad de agitación hasta 7500 rpm y se agregó rápidamente una solución de hidróxido de amonio (NH4OH) al 10% en volumen, instantáneamente se formó un precipitado oscuro que son las nanopartículas de magnetita. Este precipitado se lavó varias veces con agua destilada para remover los iones Cl- y el hidróxido de amonio remanente, que inhiben la adsorción de las moléculas del estabilizador que se usará ara la preparación del ferrofluido. Las nanopartículas de magnetita lavadas se mantuvieron en suspensión para facilitar su uso en la preparación del ferrofluido.

Preparación del ferrofluido

La preparación del ferrofluido se llevó a cabo mediante el método de peptización. Se usó ácido oleico como surfactante, keroseno u aceite comestible como líquido portador y la magnetita en suspensión como el material magnético. Se preparó una solución de magnetita/ácido oleico/keroseno u aceite comestible, ésta se puso a calentar a una temperatura de 70 - 75 °C con agitación constante (450 rpm)

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hasta que se evaporó el agua residual que contenía la magnetita y se formó una pasta (el tiempo aproximado fue de 6 h). Después de esto, se agregó una solución de ácido oleico/keroseno u aceite comestible hasta obtener el ferrofluido estable (aproximadamente 4 h), lo anterior se hizo a la misma temperatura y velocidad de agitación.

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Experiencia N°1 Tomamos una muestra del fluido y lo colocamos sobre un recipiente plano. Colocamos un imán debajo del mismo y lo movemos para ver como se comporta el fluido bajo la acción de un campo magnético. Resultados experimentales Fluido 1: Se puede observar una débil respuesta del fluido bajo la acción del campo. La superficie del mismo se mueve junto al imán notando una leve ondulación. No podemos afirmar que los resultados obtenidos fueron los esperados. Fluido 2: Al igual que el fluido 1, se observó la respuesta del fluido al movimiento del imán, pero de forma más notoria, es decir la ondulación antes observada es más pronunciada que la anterior. Los resultados obtenidos fueron más satisfactorios que con el fluido anterior. Experiencia N°2 Goteamos el fluido sobre un tornillo imantado colocado sobre el imán para ver como se comporta el ferrofluido en esta situación. Es de esperar que por la acción del campo magnético los dipolos se orienten según este campo evidenciándose la formación de picos, es decir, sobre el tornillo se podría ver una estructura similar a la de un árbol. Resultados experimentales Fluido 1: No se pudo observar la formación de picos. Fluido 2: En este caso como se puede ver en las imágenes se formó un pico orientado hacia el imán.

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Conclusiones generales Los resultados obtenidos en ambas experiencias no fueron los que se esperaban debido a la preparación del los fluidos y a la magnitud del campo magnético utilizado. En el fluido 1 no logramos una máxima dispersión de las partículas de toner en el aceite, resultando entonces un ferrofluido muy inestable, esto sumado a que el imán utilizado no proveía un campo magnético adecuado para la experiencia resultó en que el fluido no respondió como debería haberlo hecho. En el segundo caso logramos un fluido más estable, es decir, las partículas de magnetita producidas estaban mejor dispersas debido al tratamiento químico utilizado. Esto produjo que los resultados obtenidos sean mejores que para el caso anterior, aunque no fueron óptimos debido a que la magnitud del campo magnético utilizado no fue suficientemente fuerte.