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Ferrofluid for beginners
Experimente for beginners
Herstellung for beginners |
Ferrofluide sind außergewöhnliche Flüssigkeiten, die neben dem ästhetischen Aspekten auch fächerübergreifend vieles bieten: Physik, Chemie, Medizin und Informatik, um die großen Disziplinen zu erwähnen, die Ferrofluide "anschneiden". Trotz der Komplexität des Themas gibt es viele Möglichkeiten, sich ein gutes Verständnis über diese Fluide anzueignen - ohne studiert zu haben oder der nächste Einstein zu sein.
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Die Rubrik "Ferrolfuid for beginners" ist gerade für Einsteiger oder Laien geeignet, aber auch Schüler und Lehrer kommen auf ihre Kosten, ohne dabei eine klare Erklärung vorzuenthalten zu bekommen. Wem der folgende Text über Ferrofluide nicht ausreicht, kann die Rubrik "Ferrofluid" besuchen.
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Was sind Ferrofluide?
Kurzdefinition:
Das Wort Ferrofluid bedeutet ins Deutsche übersetzt so viel wie "flüssiges Eisen". Diese Flüssigkeiten reagieren auf Magnetfelder allgemein; auf besonders starke mit igelartigen Strukturen - den Rosensweiginstabilitäten - und bestehen aus etwa 10 Nanometer großen magnetischen Partikeln, die beschichtet sind, um nicht zu verklumpen. Ohne äußeres Magnetfeld verhalten sie sich wie ganz normale Flüssigkeiten.
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Warum eigentlich Ferrofluide?
Jeder kennt Magnete - sie sind überall: am Kühlschrank, in Festplatten oder bei Lautsprechern. So stellt man sich die Frage, warum so einen Aufwand betreiben und irgendwelche komplizierten Nanoteilchen herstellen, wenn man einfach einen Magneten nehmen und schmelzen kann? Die Antwort auf diese Frage bringt uns zum Verständnis des Magnetismus. In der Schule lernt man beim Magnetisieren eines Eisenstabes, dass dieser aus winzig kleinen Magneten, den sogenannten Elementarmagneten besteht. Diese auch magnetische Domäne oder auch Weisscher-Bezirk genannten Regionen in einem Material entsprechen Arealen, in denen die Elektronenausrichtung der Atome gleich ist. Nun muss man sich vorstellen, dass Temperatur einer inneren Energie entspricht - Bewegung der Teilchen in einem Körper oder einer Flüssigkeit.
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Beim Erhitzen kann man das Phänomen besonders gut am Beispiel des Wassers erkennen. Sehr kalt - fest - warm - flüssig und sobald Teilchen eine höhere Bewegungsenergie besitzen, als die Kraft, die die Teilchen zusammenhält, können einige von ihnen entfliehen - es entsteht Dampf. Ein anderes Gedankenbild besteht darin, sich ein Dartspiel mit Seitenwind anzusehen: Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten (B) kann der Spieler die Scheibe nicht mehr treffen (Graphik rechts). |
Vergleich Dartspiel |
Ähnlich verhält es sich mit Materialien im Magnetfeld: Bei einer zu hohen Temperatur, der Curietemperatur (TC), ist die thermische Energie zu hoch, als dass sich langzeitig magnetischen Gleichausrichtungen bilden können. Durch die zufällige Verteilung der Elementarmagnete kommt es zum Verlust des Magnetismuses des Körpers.
Fazit: Bei allen Ferromagnetika liegt die Curietemperatur wesentlich unter der Schmelztemperatur (TC < TSchmelzen), daher gibt es bisher keine flüssigen metallischen-magnetische Flüssigkeiten. (Für Interessierte: eine spezielle Helium-3-Phase entwickelt im 2 Millikelvinbereich ein magnetisches Verhalten, für diese Entdeckung gab es 1996 den Nobelpreis in Physik.)
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Warum sind die Partikel so winzig und beschichtet?
Durch die Beschichtung werden die Teilchen vor allem davon abgehalten wieder zu verklumpen (agglomerieren) und dadurch ihre guten magnetischen Eigenschaften zu verlieren. Des Weiteren kann man aus zwei eigentlich getrennten Phasen (Trägersubstanz und feste Nanopatikel) eine so genannte kollodiale Flüssigkeit herstellen. Man kann sich das am Beispiel von Milch recht gut verdeutlichen, in der Fett mit Hilfe von Tensiden (- wirken wie Vermittler -) in Wasser gelöst werden kann.
Dazu kann man folgenden Versuch (V01) schon mit einfachen Mitteln durchführen. Man benötigt einzig ein Gefäß, Wasser und Öl (Oliven-, Sonnenblumenkernöl ...). Frage: Lässt sich das Öl im Wasser lösen? Dazu gibt man in das Gefäß Wasser und Öl, rührt es heftig um.. In einem verschließbaren Behältnis kann man es auch schütteln. Was kann man beobachten? Und was passiert, wenn man Wasser mit Salz oder Zucker mischt? Eine kurze Erklärung zu dem Versuch finden Sie weiter unten unter V01.
Doch nun zur Teilchengröße: jedes einzelne Patikel besitzt einen Durchmesser von ca. 10 nm. Dies ist nötig um pro Teilchen auch nur einen Elementarmagneten zu haben, dabei entsteht eine sehr empfindliche Form des Magnetismus - der Superparamagnetismus. Des Weiteren hält die geringe Größe die in der Flüssigkeit dispergierten Partikel in "Trap" - wie oben bereits erwähnt - entspricht Temperatur einer Bewegung. In diesem Fall hält die ständige Bewegung der Teilchen diese davon ab, sich von der Flüssigkeit abzusetzen und weiter in einem magnetischen Zustand zu verweilen. Ansonsten würden Ferrofluide u. a. bei starken Magnetfeldern einfach eintrocknen und wären nicht mehr flüssig.
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Wozu braucht man Ferrofluide?
Ferrofluide werden in vielerlei Hinsicht verwendet. Durch ihre gute Kontrollierbarkeit werden diese als Dichtungs- oder Dämpfungsmaterial eingesetzt. Auch in der Medizin finden dies speziellen Flüssigkeiten ihren Anklang z. B. in der Tumorbehandlung. Weitere Felder sind die Vermessungs-, Stealthtechnologie als auch Entertaiment, Kunst und Forschung, speziell die Raumfahrt.
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Wir hoffen nun euch ein gut verständlichen Einstieg zu diesen außergewöhnlichen Flüssigkeiten gegeben zu haben. Wer weiter interessiert ist kann die Rubrik "Ferrofluid" und unsere Arbeit lesen (unter "Downloads" zu finden). Wer Fragen hat, etwas nicht verstanden hat oder der etwas mehr über Ferrofluide erfahren möchte, kann uns auch eine e-Mail zuschicken (-> "Zur Webseite"). Bilder sind unter "Galerie" zu sehen.
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Experimente for beginners
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Im folgenden Part bieten wir einige Versuche mit Ferrofluiden an, deren Sinn es ist die komplexen Hintergründe zum Thema selbst zu erarbeiten. Diese Form des Entdecken ist unserer Meinung nach für Schüler sehr hilfreich. Insgesamt sind die Experimente für Klassenstufen ab Beginn der Mittelstufe bis zur Oberstufe und bis in das Studium hinein sinnvoll. Auch jüngeren Kindern können ebenfalls Versuche durchgeführt werden, wobei hier eher der ästhetische Ast oder deren Neugier geweckt wird, dadurch aber eine Basis für das Interesse an den sonst in der Schule meistens langweilig unterrichten naturwissenschaftlichen Fächern ausbilden können.
Bitte unbedingt die Sicherheitshinweise lesen!
Dieser Teil ist noch im Aufbau! / This Part is still under construction!
Daher empfehlen wir ihnen regelmäßig die Seite zu besuchen!
Für weitere Informationen lesen Sie bitte die schriftliche Arbeit, Kapitel Experimente. Zum Download unter "Downloads"!!! |
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Herstellung for beginners
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Im folgenden Stellen wir zwei mögliche Wege vor Ferrofluid selbst herzustellen. Der Zeitaufwand beträgt dabei zwischen zwei und drei Stunden.
Bei der Herstellung sind folgende Vorraussetzungen unabdingbar: ein Abzug, um schädliche gasförmige Nebenprodukte abzuleiten, als auch die Einhaltung von Sicherheitsregeln! Weiter ist das Tragen von Kittel, Schutzbrille und Handschuhen nötig. Ferrofluide sind extrem empfindlich auf Magnetfelder und können nur sehr schwer bis gar nicht mehr von Gegenständen oder Kleidung entfernt werden. Die Endprodukte sowie die Ausgangstoffe sind nicht zum Verzehr geeignet! Die Herstellung dieser Flüssigkeiten ist ab der 9. Klasse empfohlen auch grundlegendes Vorwissen in Chemie und Physik sind nötig. Nehmen Sie sich eine Stunde Zeit, um die Schüler auf die neue Materie einzustimmen und um die folgende Prozedur vorzubereiten!
Folgendes Material / Chemikalien werden benötigt:
- mehrere Gefäße
- eine Waage (~ 0,01g genau)
- Glasrührer
- pH-Indikatorstäbchen
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Phase I: Erzeugen der magnetischen Nanopartikel
(...)
Dieser Teil ist noch im Aufbau! / This Part is still under construction!
Daher empfehlen wir ihnen regelmäßig die Seite zu besuchen!
Für weitere Informationen lesen Sie bitte die schriftliche Arbeit, Kapitel Herstellung. Zum Download unter "Downloads"!!! |
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