Влияние постоянного магнитного поля на смачивание твердого тела дистиллированной водой

Введение

Тяжело представить жизнь современного человека без красок и лаков, так как окружающий мир казался бы серым и безрадостным. В самые разнообразные цвета окрашено все вокруг нас: дома, предметы интерьера, бытовая техника, спортивный инвентарь, транспорт и тем более детские игрушки. Лакокрасочные материалы защищают от ржавчины металлические конструкции, деревянные изделия от гниения, а также предупреждают растрескивание бетона и штукатурки.

Для восстановления целостности чего-либо и при ремонте нам не обойтись без клеевых материалов. Порой дешевле склеить, чем купить новую вещь с такими же функциями.

При покраске бывает, что краска плохо сцепилась с поверхностью. В результате “красота” долго не продержится. Также и при склеивании, если сцепление клеевого материала с поверхностью плохое, то долговечность клеевого соединения сравнительно низкая. Между сцеплением краски и клея с поверхностью и физическим явлением “смачивание” есть связь.

Проблема: при покраске или склеивании не всегда обеспечивается хорошее сцепление с поверхностью, особенно при нарушениях при подготовке поверхности перед нанесением краски, лака или клея. Возможно ли улучшить сцепление краски, лака или клея с поверхностью при воздействии магнитного поля?

Объект исследования: дистиллированная вода.

Предмет: смачивание твердого тела водой под воздействием постоянного магнитного поля.

Гипотеза: при воздействии магнитного поля, в которое помещена вода, уменьшается краевой угол смачивания (смачивание твердого тела жидкостью улучшается).

Цель: исследовать влияние воздействия постоянного магнитного поля на смачивание твердого тела дистиллированной водой.

Задачи для достижения поставленной цели: 
1) изучить материал по исследуемой теме;
2) провести эксперименты по исследованию влияния воздействия постоянного магнитного поля на смачивание твердого тела дистиллированной водой;
3) провести анализ полученных данных и подвести итог.

Методы:
1) изучение и анализ литературы;
2) эксперимент;
3) метод определения степени смачивания по краевому углу;
4) метод фотографирования;
5) метод обработки данных на компьютере;
6) анализ и синтез полученных данных.

Всё, к чему мы прикасаемся, либо окрашено, либо покрыто лаком. Краски делают наш мир ярче, “насыщеннее жизнью”. От цветовой гаммы зависит и наш эмоциональный настрой. Лаком покрывают материалы для увеличения срока их эксплуатации.

При использовании изделия иногда происходит нарушение его целостности. Для того чтобы восстановить целостность используют клеевые материалы.
При использовании красок, лаков, клеевых материалов важно, чтобы они хорошо сцепились с поверхностью. Между физическим явлением “смачивание” и сцеплением красок, лаков, клеевых материалов с поверхностью существует связь.

При изучении и анализе литературы было определено, что в состав красок, лаков, клеевых материалов входит вода. Мы рассмотрели физические основы действия магнитного поля на воду без примесей. Выполнив все эксперименты, определили, влияет ли постоянное магнитное поле на смачивание твердого тела дистиллированной водой.

На проблемный вопрос мы ответили. Возможно, результаты определения влияния постоянного магнитного поля на смачивание твердого тела дистиллированной водой могли бы быть отчетливее, если бы мы имели в наличии магниты с большей магнитной силой. И следует учесть, что помимо физического принципа сцепления красок, лаков и клеевых материалов есть и химические.

Теоретические сведения

Состав лакокрасочных материалов (ЛКМ)

Лакокрасочным материалом (ЛКМ) называют поликомпонентную систему, которая при нанесении на окрашиваемую поверхность образует цельное полимерное покрытие с защитными, декоративными и специальными свойствами. Тонкая пленка на основе органических и неорганических соединений изолирует поверхность от воздействия окружающей среды, придает ей определенную окраску и облик.

В состав лакокрасочных материалов входят:
1) пленкообразующие вещества;
2) пигменты;
3) наполнители;
4) разбавители;
5) сиккативы;
6) отвердители;
7) ускорители;
8) целевые добавки;
9) растворители.

Пленкообразующие вещества (пленкообразователи) основные компоненты лакокрасочных материалов, придающие им способность образовывать тонкую твердую пленку, прочно связанную с защищаемой поверхностью (битум, олифа).

Пигменты. Являются одними из составных частей красок и эмалей. От типа пигмента зависят цвет лакокрасочного покрытия, его укрывистость, а также устойчивость к действию атмосферных факторов, химических реагентов и высоких температур.

Наполнители ЛКМ – это вещества, которые вводятся для  удешевления (снижения себестоимости) лакокрасочного материала за счет замены дорогого пигмента более дешевыми наполнителями.

Разбавители – вещества, которые применяются для снижения вязкости ЛКМ и облегчения сушки.

Сиккавит – вещество, прибавляемое в лак и масляные краски для скорейшего их высыхания.

Отвердитель – вещество, добавляемое в ЛКМ для ускорения его отверждения.

Ускорители – химическое соединение, вводимое для повышения скорости отверждения некоторых материалов.

Целевые добавки – вещества, которые повышают общие свойства лакокрасочной композиции, такие как: адгезия, абразивостойкость, пленкообразование, эстетичность, растекание, стабильность при хранении, прочность пленки и т.д.

Растворитель используют в красках для снижения вязкости, что способствует удобству нанесения. Используемый растворитель напрямую зависит от природы связующего вещества. В качестве растворителей используются вода, масла, спирты, кетоны, эфиры и иные углеводороды.
Таким образом, вода входит в состав ЛКМ.

Состав клеевых материалов

В состав клеевых материалов входят:
1) пластификаторы. Добавление пластификаторов приводит к увеличению пластичности клеевого материала и повышает величину ударной вязкости;
2) смазывающие материалы (вещества, облегчающие выемку из формы);
3) загустители. Предназначены для увеличения вязкости составов;
4) материалы, увеличивающие липкость;
5) наполнители. С их помощью можно придать клею требуемую электропроводность, уменьшить усадку, увеличить термостойкость.
Наиболее часто в быту и промышленности применяется клей ПВА – эмульсия поливинилацетата в воде, с пластификатором и специальными добавками. Обладает характерным слабым запахом. ПВА активно применяются в быту, канцелярии, строительстве. ПВА используется для склеивания материалов на основе бумаги (обоев, картона и т.п.), древесины, кожи, стекла и так далее.
Таким образом, в состав клеевых материалов входит вода.

Физические основы сцепления ЛКМ и клеевых материалов с поверхностью твердого тела

В момент смачивания твердого тела жидкостью его свободная поверхность является местом двух конкурирующих между собой тенденций: сохранить свою когезию (взаимное сцепление молекул жидкости) или выполнять адгезию (сцепление молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела)  с твердым телом.

Смачивание  – это поверхностное явление, которое заключается во взаимодействии поверхности твёрдого тела (другой жидкости) с жидкостью.

Рис. 1. Когезия и адгезия в момент смачивания твердого тела жидкостью

Таким образом, смачивание является фактором сцепления ЛКМ и клеевых материалов с поверхностями.

Физические основы действия магнитного поля на воду без примесей

Чистая прозрачная вода, не имеющая запаха и вкуса, имеет наибольшую плотность при 0°С (1 г/см³). Вода замерзает при 0°С и кипит при 100°С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода — хороший растворитель.

Атомы водорода образуют угол по отношению к кислороду (104,5°), то есть молекула воды имеет угловую форму. Такая форма молекулы, как у воды, называется диполем: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, противоположная часть, где располагается кислород – отрицательно. Для приближенного описания поля, создаваемого более сложными системами зарядом, а также для приближенного описания действия внешнего поля на такие системы используется идеализированная система – диполь.

Рис. 2. Структура молекулы воды и молекула воды-диполя

В одной капле воды много молекул. Молекулы совершают скачкообразные прыжки с места на место. Можно сказать, что происходит движение электрических зарядов, при этом возникает вокруг молекулы-диполя магнитное поле. Если поместить каплю воды в магнитное поле, то молекулы-диполи должны как-то взаимодействовать с внешним магнитным полем. Подтверждением или опровержением этого факта мы займемся в ходе нашей исследовательской работы.

Экспериментальная часть

Определение влияния постоянного магнитного поля на степень смачивания твердого тела дистиллированной водой. 

Цель: исследовать влияние воздействия постоянного магнитного поля на смачивание твердого тела дистиллированной водой.

Оборудование и материалы: стеклянные пластины, обезжиривающее вещество (моющая жидкость для стекол), пипетки, дистиллированная вода, учебный блок питания (4 В и 12 В), реостат, амперметр, ключ, штатив, кольцевые магниты, электромагниты, набор брусков, мелкие железные опилки, пластмассовая коробка, фотоаппарат, компьютер с установленной программой Adobe Photoshop.

Эксперимент № 1

Определение силы действия магнитных полей, создаваемых образцами постоянных магнитов и электромагнитов.

В этом опыте мы проводим отбор постоянного магнита и электромагнита имеющие сильное магнитное поле из представленных образцов при их номинальных параметрах.

Метод: метод визуального наблюдения действия магнитного поля на мелкие железные опилки: по густоте магнитных линий, определить какой образец имеет сильное магнитное поле в предполагаемой области действия на каплю воды.

Таблица 1. Характеристики кольцевых магнитов

Таблица 2. Характеристики электромагнитов

Рис. 3. Электрическая схема включения электромагнита

Толщина пластмассовой коробки: 3 мм.

Описание опыта:

1. Расположить кольцевой магнит (электромагнит) под коробкой с мелкими железными опилками. При необходимости коробку с опилками встряхнуть.
2. Сфотографировать видимую картину изменения расположения мелких железных опилок под действием магнитного поля.
3. Визуально определить у какого магнита магнитное поле сильнее в предполагаемой области воздействия на каплю воды.
4. Сделать выводы на основе полученных данных (приложение № 2).

Таблица 3. Результаты эксперимента № 1

Результаты: более сильное магнитное поле в предполагаемой области действия на каплю с водой по центру внутреннего диаметра создает образец №2. Электромагниты не оказали воздействия на мелкие железные опилки, следовательно, в этой области они не создают магнитное поле или оно очень слабое.

Эксперимент № 2

Определение влияния постоянного магнитного поля на степень смачивания твердого тела дистиллированной водой.

Метод: метод определения степени смачивания по краевому углу.

Рис. 4. Схема установки для проведения эксперимента № 2: 1 – бруски, 2 – стеклянная пластина, 3 – магнит. Примечание: зазор между магнитом и стеклянной пластиной не более толщины пластмассовой коробки, используемой в эксперименте № 1.

Описание опыта:

1. Собрать установку согласно схеме для проведения эксперимента.
2. Взять пипетку, набрать дистиллированной воды и капнуть на стекло.
3. Сфотографировать стекло с каплей.
4. Расположить постоянный магнит над стеклом с каплей по центру.
5. Сфотографировать твердое стекло с каплей.
6. Полученные фотографии обработать в программе Adobe Photoshop. Определить величины краевых углов.
7. Сделать выводы на основе полученных данных (приложение № 3).

Таблица 4. Результаты эксперимента № 2

Результаты: при воздействии постоянного магнитного поля, в которое помещена вода без примесей, уменьшается краевой угол смачивания (смачивание твердого тела жидкостью улучшается). При ближайшем южном полюсе магнита к поверхности с водой смачивание твердого тела жидкостью улучшается больше, чем при северном полюсе.

Заключение

В ходе нашего исследования были проведены эксперименты по определению влияния постоянного магнитного поля на степень смачивания твердого тела дистиллированной водой. Цель, поставленная нами, выполнена полностью. Выдвинутая гипотеза подтвердилась.

Результаты исследования: при воздействии магнитного поля, в которое помещена вода без примесей, уменьшается краевой угол смачивания (смачивание твердого тела жидкостью улучшается). При ближайшем южном полюсе магнита к поверхности с водой смачивание твердого тела жидкостью улучшается больше, чем при северном полюсе.
Так как вода входит в состав ЛКМ и клеевых материалов, а сцепление с поверхностью связано с физическим явлением “смачивание”, то можно говорить о том, что сцепление ЛКМ и клеевых материалов с поверхностью твердого тела можно улучшить с помощью воздействия постоянного магнитного поля.

Список используемой литературы

1. Вильнав Ж.Ж., Клеевые соединения – М.: Техносфера, 2007, стр. 47, 174.
2. Перышкин А.В., Физика 8 кл.:учебник – М.: Дрофа, 2019, стр. 165-175.
3. Пурышева Н.С., Физика: новый полный справочник для подготовки к ГИА: 9 класс. АСТ: Астрель, 2015, стр. 212.
4. Яворский Б. М., А. А. Пинский. Основы физики. т. 1.,  М.: Физматлит, 2003, стр. 420, 422.

Список источников информации

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8B
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%B0
3. https://flot.com/publications/books/shelf/maritimehandbook/35.htm?print=Yhttp://www.300246.ru/sostav-i-svoistva-moloka.html
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0)

Авторы:
Щербанева Алёна,
Вараксина Юния,
обучающиеся 8 класса,
Муниципальной казенной
общеобразовательной организации
“Серпомолотская средняя
общеобразовательная школа”

Руководитель:
Николаев Виктор Валерьевич,
учитель физики

п. Серп и Молот
2019

Приложение № 1

Образцы магнитов

Приложение № 2

Проведение эксперимента № 1

Приложение № 3

Проведение эксперимента № 2

Приложение № 4