TITULO La ciencia de los ferrofluidos AUTORES Blanca Guadalupe

TITULO
La ciencia de los ferrofluidos
AUTORES
Blanca Guadalupe Cruz Crisóstomo
Daniel Ayala Verazaluce
Joaquín Lozano Romero
ASESORES
Lic Felipe de Jesús Muñoz González
ESCUELA
Programa Adopte un Talento AC
AREA EN LA QUE PARTICIPA
Físico Matemáticas
Experimental de campo o demostración
Secundaria. Proyecto externo
ANTECEDENTES
Un ferrofluido es un liquido el cual se polariza en presencia de un campo magnético. Es una mezcla
coloidal compuesta de nano partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido portador como el
queroseno, siendo Stephen Papell de la NASA fue el primero en desarrollarlo en 1960.
En este tipo de sustancias se observa la unión de dos ramas importantes de la física, la hidrodinámica
y el magnetismo así como el análisis de las interacciones moleculares dando resultado a la
magnetohidrodinámica.
Una de las relaciones más útiles en la hidrodinámica es la ecuación del matemático suizo Daniel
Bernoulli que representa la relación entre la presión, velocidad y gravedad. En un ferrofluido las
interacciones magnéticas pueden también afectar el sistema e incluirse dentro de esta ecuación,
teniendo esto en cuenta Joseph L. Neuringer y Ronald E. Rosenweig ampliaron la ecuación y llegaron a la
ecuación ferrohidrodinámica en 1964.
Por parte del magnetismo desde 1813 gracias a Hans Christian Ørsted sabemos que una corriente
eléctrica produce un campo magnético y esto es utilizado para provocar cambios en los compuestos
ferromagnéticos y controlarlos por medio de una computadora.
Actualmente se utilizan en diversos lugares como en automóviles en frenos, suspensiones y
amortiguadores, equipo de la NASA como medidores de altitud de naves espaciales, en radares de la
fuerza aérea, en equipos médicos como las resonancias magnéticas y tratamientos como en cáncer,
dentro del arte y los equipos de cómputo como los discos duros.
OBJETIVOS GENERALES
1. Aprender a obtener un ferrofluido de manera casera y entender su estructura molecular
2. Comprender los campos magnéticos y eléctricos así como su efecto en los ferrofluido
DESARROLLO Y METODOLOGIA
1.
Se realizó la búsqueda bibliográfica de los fundamentos físicos de los fluidos, el magnetismo y la
electricidad así como de los ferrofluidos.
2. Se analizaron y compararon las propiedades y diseñaron los experimentos
3. Se realizo el ferrofluido casero
4. Se comprueba cada una de las propiedades según el experimento
9 Aguja liquida: Se observaran y analizaran las propiedades magnéticas de una corriente eléctrica
en un ferrofluido
9 Búsqueda del punto de Curie: Encontrar y comprender que es y de que sirve el punto de curie en
los ferrofluido.
9 Laberintos magnéticos: Efectos del magnetismo entre un ferrofluido y un liquido no miscible en
el (agua) mientras forman estructuras en una caja de petri
9 Flotando en liquido: Comprobar la ecuación de Bernulli con magnetismo mediante un objeto no
magnético que resulta afectado indirectamente por el magnetismo
5. Se realizan las observaciones y anotaciones por cada experimento realizado una o más veces.
6. Se analiza el sistema del ferrofluido en cada experimento
7. Se realiza un análisis vectorial del sistema.
MARCO TEÓRICO
Los ferrofluido es un fluido portador coloidal generalmente orgánico o agua que contiene nano
partículas paramagnéticas dispersas recubiertas con micelas de un agente dispersor, como el acido
oleico. Estas partículas se mantienen en estado coloidal a causa de fuerzas magnéticas y de van der
Waals y son normalmente, magnetita, hemetita o algún compuesto con contenido de Fe2+ o Fe3+.
Estas sustancias al estar en contacto con un campo magnético están sujetas a lo que se conoce como
“Inestabilidad bajo campo normal” que es un cambio espontaneo y regular formando una configuración
hexagonal de agujas en el cual el liquido tiene un comportamiento de solido al disminuir el efecto de la
gravedad gracias al campo magnético.
• Propiedades Magnéticas
Como todos los compuestos ferromagneticos, estos fluidos tienen la característica de perder sus
propiedades magnéticas a cierta temperatura llamada “Temperatura de Curie” la cual se toma en cuenta
para la Ley de Curie M=CH/T donde M es la magnetización resultante, B es la inducción magnética
(teslas), T es la temperatura absoluta y C es la constante de Curie (temperatura).
• Propiedades de Fluido
Como todos los líquidos, los ferrofluido están regidos bajo la ecuación de Bernoulli, la diferencia es
que se le agrega el parámetro del magnetismo lo cual crea más relaciones entre el magnetismo y las
partes ya existentes (presión, energía cinética y potencial). La ecuación nos dice: p + p/2(v^2) + ρgh −
μ0 MH = const, en donde pgh es la Energía potencial, p es la densidad, p/2(v^2) es la energía cinética y
μ0 MH es la densidad de la energía magnética. Según esta ecuación y ya que la densidad es constante
por ser un coloide, la suma de la energía magnética y la presión son constantes en cualquier parte del
fluido siempre y cuando este en reposo, es decir la energía cinética sea 0.
Campo Electromagnético
En presencia de una carga eléctrica se producen campos eléctricos que ejercen fuerzas sobre las
otras cargas del campo. Cualquier conductor eléctrico cargado genera un campo eléctrico asociado. Los
campos magnéticos se originan por el movimiento de cargas eléctricas. La intensidad de los campos se
mide en amperios por metro (o teslas). Cuanto mayor sea la intensidad de corriente mayor será la
intensidad del campo magnético y al igual que los campos eléctricos, la intensidad es mayor en los puntos
cercanos al origen y menor conforme aumenta la distancia desde la fuente.
•
RESULTADOS
1. Aguja liquida: Se forma una estructura piramidal con base circular en donde la mayoría de las
partículas se encuentran en el extremo en donde se forma la carga eléctrica mientras que la
menor se encuentra en el extremo opuesto.
2. Búsqueda del punto de Curie: Se coloco un imán sobre el líquido y se observo la estructura
típica de un ferrofluido, luego de elevar la temperatura esta forma de picos hexagonal se
perdió al igual que las propiedades paramagnéticas del fluido.
3. Laberintos magnéticos: Se observo como la gravedad juega un papel importante en la separación
de los líquidos pero gracias a la fuerza magnética sobre las partículas dentro del mismo
contrarresta la fuerza de gravedad y provoca una serie de formas dependiendo la posición en
donde se sitúe el imán y dado un tubo de un material no magnético que contiene dos líquidos no
miscibles, uno es el ferrofluido y otro menos denso, se observa como el ferrofluido puede
funcionar como un tapón en presencia de un campo magnético.
4. Flotando en líquido: En este experimento observaremos que un objeto no magnético como lo es
una esfera de cristal puede situarse en contra de la fuerza de gravedad en medio de un líquido
gracias a la fuerza que ejercen los imanes y la presión del ferrofluido.
CONCLUSIONES
Con estos experimentos y la investigación comprobamos como las partículas de estos líquidos se mueven
hacia donde se encuentra el campo eléctrico ya que este produce un campo magnético gracias al
movimiento de los electrones.
Encontramos el punto de curie lo cual nos sirve para la aplicación de estos ferrofluidos en diversos
sistemas considerando este punto como control o herramienta basada en temperatura.
Comprobamos como los ferrofluidos son utilizados como tapones en presencia de un campo magnético
como lo es cuando se usa en los discos duros de las computadoras permitiendo el movimiento sin que
pueda entrar ninguna partícula extraña.
Comprendimos por que la fuerza magnética es otra variable dentro de la ecuación de Bernoulli
despreciable en líquidos que no contienen partículas paramagnéticas.
Gracias al análisis vectorial comprendimos las fuerzas que se encuentran dentro del sistema del
ferrofluido y por que toman esta estructura en presencia del campo magnético.
Todas las propiedades del ferrofluido lo hacen un material único para diversos instrumentos tanto en la
frontera de la ingeniería y la ciencia como en el arte y en la vida cotidiana. Grandes adelantos se deben
a la aplicación de estos fluidos.
BIBLIOGRAFIA
Ronald E. Rosenzweig. Fluidos Magnéticos. En: Investigación y Ciencia. Barcelona. No.75, diciembre de
1982. Pág. 62 – 71.
K.H.J. Buschow. Handbook of Magnetic Materials Volumen 16
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/magneticos/index.html
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/056/htm/sec_7.htm
Ferrohydrodynamics Escrito por Ronald E. Rosensweig