מבוא:

FF) ferrofluid )הוא נוזל המורכב מנפט, אבקת ברזל וחומר המקיף את חתיכות הברזל כדי שלא יתחברו זו לזו, וימגנטו אחת את השנייה. כשה-FF נמצא בשדה מגנטי חיצוני חזק מספיק, אז נוצרים "קוצים" על פני הנוזל. בחרתי לחקור ferrofluid כי זה מעניין אותי ולא עדיין לא למדנו על מגנטים ואני אוהב
מגנטים.

מטרות המחקר ושאלות המחקר:

מטרת המחקר שלי היא לשחק עם FF ,להבין למה נוצרים הקוצים? למרות שהחומר במצב צבירה נוזלי. ואיך ניתן לשלוט על הכמות והגודל שלהם.

1. כיצד המומנט המגנטי של ה-FF תלוי בגודל השדה החיצוני?
2. כיצד גובה הקוצים תלוי בגודל השדה המגנטי?
3. כיצד כמות הקוצים מושפעת מגודל השדה המגנטי?
4. כיצד כמות הנוזל משפיע על מספר הקוצים עבור שדה מגנטי מסוים?

עקרונות פיזיקליים מרכזיים

מגנטים, נוזל פרו-מגנטי, שדה מגנטי, מומנט מושרה, אנרגיה מגנטית

ניסויים מקדימים:

1. שדה מגנטי
2. מספר קוצים פר מרחק

ניסוי מרכזי:

1. מומנט מושרה
2. אנרגיה מגנטית
3. קוצים בשדה קבוע

מהלך המחקר

 מטרת הניסוי המרכזי הראשון היא למצוא את המומנט המגנטי של ה FF כשהוא תחת שדות מגנטים שונים. מטרת הניסוי הייתה למצוא מה גודל המומנט המגנטי של הFF כתלות בשדה מגנטי החיצוני. ההשערה שלנו היא שהמומנט המגנטי יהי ביחס ישר לשדה המגנטי החיצוני לפי הנוסחה:

התוצאות של הניסוי הראשון מתוארות בגרף, ומתוכן חישבתי את הסוספטיביליות של המומנט המגנטי. הנפח של ה- Ff הוא 3.2 מ'ל ולכן הסוספטיביליות שווה 152.0 שזה בארך מה שציפינו כי זה פאראמגנט . לצערנו אנחנו לא יודעים את הצפיפות המגנטית של Ff.

ב Ff נוצרים קוצים כי החלקיקים רוצים להתרחק אחד מהשני ולכן הם מטפסים אחד על השני. כאשר החלקיקים מטפסים נוצרת אנרגיה פוטנציאלית גובהית אשר נובעת מאנרגיה מגנטית. מטרת הניסוי המרכזי השני שלנו היתה למצוא נוסחה שתיתן לנו לחשב את האנרגיה המגנטית בין שני מגנטים. ההשערה שלי היא בהתאם לנוסחה המקשרת בין הגובה הסופי לגובה ההתחלתי: 

תוצאות הניסוי מוצגות בגרף. העברנו קו מגמה בנקודות האדומות ומצאנו שהחזקה שלו היא בסביבות 1.5 ולא מה שציפינו שהוא יהיה בסביבות 3 . אנחנו חושבים שהסיבה לכך היא שהתאוריה שלנו היא של מגנט נקודתי והמגנט שהשתמשו בו הוא גדול ביחס למרחקים שעבדנו בהם. הסיבה שהמרחקים שבחרנו היו קטנים מידי היא שבאיזשהו שלב השדה המגנטי קטן מידי ולא יקרה כלום ברגע שנעזוב את המגנט.

מטרת הניסוי המרכזי השלישי הייתה לראות האם יווצרו קוצים בשדה מגנטי קבוע ואחיד? כיצד יסתדרו הקוצים ומה יהיה מספר הקוצים כתלות בגודל שדה? כדי לחשב מתי יווצרו קוצים, נצטרך לחשב את האנרגיה הפוטנציאלית המגנטית והאנרגיה הפוטנציאלית הכובדית בשני המצבים, עם קוצים ובלי קוצים ולראות מתי האנרגיה הכוללת יותר נמוכה. כדי לחשב את האנרגיה הכוללת של הנוזל צריך לחשב כמה קשרים ליד וקשרים מעל ישבנוזל, וכמה אנרגיה פוטנציאלית יש לו. כשמגדילים את השדה המגנטי אז הקשרים המגנטיים מתחזקים ולכן האנרגיה המגנטית גדלה בעוד הפוטנציאלית לא משתנה.
אנחנו רוצים לחשב באיזה שדה מגנטי יותר משתלם לחומר ליצור קוצים מאשר להישאר ישר, כלומר מתי ההפרש בין האנרגיה עם השדה וללא השדה היא שלילית, משמע האנרגיה קטנה בעקבות השדה ולכן המערכת תבחר במצב זה (עם האנרגיה הכי קטנה) כדי ליצור קוץ, הזזנו מגנט אחד מהשורה העליונה בנוזל לשורה מעליה ראו תמונות למטה, וספרנו מחדש את מספר הקשרים מעל וליד. בכל קוץ ירדו שתי קשרי ליד ונוספה ארגיה גובהית. וחישבנו במצב החדש ניסינו למצוא שדה מגנטי הכי קטן שיתן הפרש אנרגיה שלילי.

דיון ומסקנות:

המחקר שלי היה בנוי מארבע שאלות מחקר

1.  כיצד המומנט המגנטי של ה-FF תלוי בגודל השדה החיצוני? ראינו בניסוי שככל שהשדה המגנטי החיצוני גדל כך גם המומנט המגנטי המושרה של ה ff גדל בצורה לינארית. והרגישות המגנטית יצאה לנו בערך 15.0 שזה אומר שהשדה הכולל בתוך ה ff יהיה גדול ב %15 מהשדה החיצוני.
2. כיצד גובה הקוצים תלוי בגודל השדה המגנטי? תחת תנאים רגילים הכוללים סתם FF ומגנט (חזק כחול שיהיה) אז יש מרחק מסוים (בכל מגנט המרחק שונה)  שבו יש רק קוץ אחד אבל הקוץ השני ממש עוד רגע יווצר. אבל יש דרך ליצור קוצים יותר גבוהים אם שמים את הFF בתוך שדה אחיד ומגבירים את הזרם החשמלי באופן אחיד מבלי לנתק את הזרם אז הקוצים יטפסו לגובה במקום ליצור עוד קוצים. לצערנו לא הספקנו לבצע מדידה מסודרת של גובה הקוצים.
3. כיצד כמות הקוצים מושפעת מגודל השדה המגנטי? ככל שהשדה חזק יותר אז כמות הקוצים גדולה יותר והעליה נראית כמו פרבולה כי כשיש כבר קוצים ליצור עוד קוץ צריך פחות אנרגיה, כי האנרגיה המגנטית תלויה בשדה בריבוע.
4. כיצד כמות הנוזל משפיע על מספר הקוצים עבור שדה מגנטי מסוים? לא הספקנו לבדוק את זה. אנו חושבים שככל שיהיה יותר נוזל אז הקוצים יהיו קטנים  יותר כי הם יהיו רחוקים יותר מהמגנט, אבל יהיו יותר מהם כי יש יותר שטח פנים לבועת ה ff