磁性液體Rosensweig尖峰的磁控研究

李艷琴

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622)

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磁性液體Rosensweig尖峰的磁控研究

李艷琴

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622)

設(shè)計了磁性液體Rosensweig尖峰展示球?qū)嶒炑b置，研究了不同磁感應(yīng)強度時Rosensweig尖峰的個數(shù)和間距的變化，展現(xiàn)了鐵球磁體的磁場三維分布，演示了磁場空間分布隨磁感應(yīng)強度的變化. 實驗結(jié)果表明：磁性液體Rosensweig尖峰個數(shù)隨磁感應(yīng)強度的增強而逐漸增加，當磁感應(yīng)強度達到250 mT后，尖峰個數(shù)趨于平緩. 當磁感應(yīng)強度較弱時，磁性液體Rosensweig尖峰分布稀疏，尖峰之間間距較大，鐵球磁體周圍磁感線分布稀疏；當磁感應(yīng)強度較強時，Rosensweig尖峰分布密集，尖峰之間間距較小，鐵球磁體周圍的磁感線分布密集.

磁性液體；Rosensweig尖峰；磁控

1 引 言

磁性液體由包覆表面活性劑的納米磁性顆粒融入無磁性的載液中形成的膠體溶液，它具有特殊的磁性能[1]. 無外加磁場作用時，載液中的磁性顆粒在布朗運動作用下做雜亂無章運動，各磁性顆粒磁矩方向無序排列，磁矩互相抵消，磁性顆粒均勻分散在載液中，磁性液體不顯示宏觀磁性. 當磁性液體處于外加磁場中時，磁性顆粒將沿磁場方向形成鏈狀排列結(jié)構(gòu)[2-3]，且磁場越強處，聚集的磁性顆粒越多，磁性液體中磁性顆粒排列狀態(tài)的變化將導(dǎo)致磁性液體的性能發(fā)生根本性變化. 當光通過磁性液體時，其折射率和透射率會隨磁感應(yīng)強度的變化而改變[4-5]；磁性顆粒的鏈狀結(jié)構(gòu)會對磁性液體的表面張力系數(shù)和黏度產(chǎn)生較大影響[6-8]. 磁場還會對磁性液體界面產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響，出現(xiàn)磁性液體Rosensweig尖峰[9].

對磁場的研究很多，陳森等人研究了地磁場對光抽運信號的影響，解決了光泵磁共振實驗教學(xué)過程中的一個難點[10]；呂紅英等人基于LabVIEW軟件設(shè)計了亥姆霍茲線圈磁場自動測量系統(tǒng)[11]；李華設(shè)計了展示磁場分布實驗裝置，演示了不同形狀磁鐵的磁感線二維的分布情況[12]. 而對于磁場分布的三維展示，仍然是物理實驗的教學(xué)難點，因此，本文利用磁性液體的Rosensweig尖峰，設(shè)計了磁性液體展示球?qū)嶒炑b置，研究了不同磁感應(yīng)強度時磁性液體Rosensweig尖峰的變化情況，分析了磁體周圍的磁場分布，實現(xiàn)了磁感線三維展示，為學(xué)生的創(chuàng)新思維訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)，引領(lǐng)學(xué)生主動去實施和探索未知的領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻、設(shè)計實驗方案、解決實驗過程中遇到的問題，實現(xiàn)以學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)模式，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力[13].

2 實驗裝置

實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由直流穩(wěn)壓電源、電磁線圈、玻璃球、透明液體、鐵球等構(gòu)成. 透明液體的主要成分是去離子水和甘油[14]，二者按照一定比例配置，確保磁性液體不會附著在玻璃球表面. 由于磁性液體的附著力很強，為避免磁性液體污染玻璃球內(nèi)表面，首先將透明液體裝入玻璃球內(nèi)，然后進行密封，最后用針管將磁性液體注入到透明液體中. 磁性液體被不相溶的透明液體包圍，即使接觸到玻璃內(nèi)表面，也不會附著其上. 實驗中所使用的磁性液體為采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體制備的ε-Fe3N磁性液體，載液為7#白油，表面活性劑為聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺. 按質(zhì)量比配制載液和表面活性劑混合液，超聲處理15 min，使二者充分混合，注入儲存室；通Ar置換反應(yīng)腔內(nèi)空氣，使用交變高頻脈沖電壓對NH3和Ar放電產(chǎn)生氮的活性粒子，和Fe(CO)5分解生成的鐵粒子重新組合，控制好反應(yīng)溫度和時間，合成ε-Fe3N磁性液體. 磁性液體中納米磁性顆粒的直徑為9～15 nm，飽和磁化強度為67.18 mT.

圖1 磁性液體Rosensweig尖峰展示球?qū)嶒炑b置

接通電源，在電磁線圈作用下，鐵球周圍產(chǎn)生磁場. 在外加磁場作用下磁性液體產(chǎn)生Rosensweig尖峰，隨勵磁電流增加，外加磁場的磁感應(yīng)強度增強，磁性液體的Rosensweig尖峰形成不同的狀態(tài)，猶如運動的“海膽”，留給學(xué)生無限的遐想，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

3 磁感應(yīng)強度對磁性液體Rosensweig尖峰的影響

鐵球磁體周圍的磁感線分布圖如圖2所示，磁感線沿鐵球表面呈輻射狀. 圖3為鐵球表面磁感應(yīng)強度隨電流變化曲線，隨勵磁電流增加，鐵球表面的磁感應(yīng)強度逐漸增強. 隨磁感應(yīng)強度增強，磁感線的分布狀態(tài)會發(fā)生變化，用磁性液體Rosensweig尖峰展示球演示了不同磁感應(yīng)強度時，磁感線的分布狀態(tài)，如圖4所示.

圖2 鐵球磁體表面的磁感線圖

圖3 鐵球表面磁感應(yīng)強度隨電流變化曲線

(a)76 mT

(b)123 mT

(c)148 mT圖4 不同磁感應(yīng)強度時磁性液體Rosensweig尖峰

當磁感應(yīng)強度為76 mT時，出現(xiàn)了26個Rosensweig尖峰，尖峰呈現(xiàn)類圓錐形狀，離磁體越遠，尖峰變得越細. 當磁感應(yīng)強度為123 mT時，尖峰個數(shù)增加到了41個，尖峰長度無明顯變化，但尖峰變細；當磁感應(yīng)強度為148 mT時，尖峰個數(shù)持續(xù)增加變得非常密集，且尖峰變細. 圖4中磁性液體Rosensweig尖峰的分布狀態(tài)反映了磁感線的分布情況，磁感線越密集，磁體周圍的磁感應(yīng)強度越強. 當磁感應(yīng)強度為76 mT時，磁性液體Rosensweig尖峰分布稀疏，尖峰之間間距較大，說明磁體周圍磁感線分布稀疏，從側(cè)面反映磁體周圍的磁場較弱. 當磁感應(yīng)強度為148 mT時，Rosensweig尖峰分布密集，尖峰之間間距較小，說明此時磁體周圍的磁感應(yīng)強度較強. 由磁性液體Rosensweig尖峰的個數(shù)及間距的變化情況，能直觀地反映磁體周圍磁感線的變化情況以及磁感應(yīng)強度的強弱. 圖5為磁性液體Rosens-weig尖峰個數(shù)隨磁感應(yīng)強度的變化規(guī)律，隨磁感應(yīng)強度增強，尖峰個數(shù)逐漸增加，當磁感應(yīng)強度增加到250 mT后，尖峰個數(shù)的變化趨于平緩，主要是由于隨磁感應(yīng)強度增加，尖峰間距變小，尖峰之間也存在一定的排斥力.

圖5 Rosensweig尖峰個數(shù)隨磁感應(yīng)強度變化曲線

4 結(jié) 論

用磁性液體Rosensweig尖峰展示球研究了鐵球磁體周圍的磁場分布，使鐵球磁體周圍的磁感線真實動態(tài)地三維展現(xiàn)出來，且演示了隨磁感應(yīng)強度增強，磁感線分布情況的變化. 磁性液體Rosensweig尖峰個數(shù)隨磁感應(yīng)強度的增強而逐漸增加，當磁感應(yīng)強度達到250 mT后，尖峰個數(shù)趨于平緩，這是因為隨磁感應(yīng)強度增加，尖峰間距變小，尖峰之間也存在排斥力. 當磁感應(yīng)強度較弱時，磁性液體Rosensweig尖峰分布稀疏，尖峰之間間距較大，說明磁體周圍磁感線分布稀疏，從側(cè)面反映磁體周圍磁場的較弱. 當磁感應(yīng)強度較強時，Rosensweig尖峰分布密集，尖峰之間間距較小，說明此時磁體周圍的磁感應(yīng)強度較強.

[1] 馬濤,吳靜芝,楊麗珍,等. 納米磁性液體的制備和性能[J]. 機械工程材料,2006,30(2):58-60.

[2] 鄧海東,李海. 磁性液體中非磁性小球與磁性納米顆粒的相互作用及磁組裝[J]. 物理學(xué)報,2013,62(12):127501(1-6).

[3] 王士彬,杜林,孫才新,等. 水基鐵磁流體磁致凝聚行為的三維耗散粒子動力學(xué)研究[J]. 功能材料,2011,42(2):298-301.

[4] 王正良,陳善飛. 磁性液體在磁場中產(chǎn)生光的雙折射效應(yīng)機理[J]. 光學(xué)技術(shù),2003,29(1):119-121.

[5] 陸樟獻,王軍,夏肆華. 煤油基Fe3O4磁性液體薄層的光學(xué)特性研究[J]. 光學(xué)學(xué)報,2011,31(2):0216003(1-8).

[6] 陳達暢,程西云. 基于磁液表面張力磁流體密封模型的研究[J]. 潤滑與密封,2005(5):117-120.

[7] 劉雪莉,楊慶新,楊文榮,等. 磁性液體磁粘特性的研究[J]. 功能材料,2013,44(24):3554-3557.

[8] 李艷琴. 磁場強度對磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響[J]. 物理實驗，2015，35(5)：30-33.

[9] Kats E I. Rosensweig instability in ferrofluids [J]. Low Temperature Physics, 2011,37(10):812-814.

[10] 陳森，王點莊，曹慶睿,等. 垂直磁場對光抽運信號的影響[J]. 物理實驗,2015,35(2):5-7.

[11] 呂紅英，顧明華，李凌燕,等. 基于LabVIEW的亥姆霍茲線圈磁場自動測量系統(tǒng)[J]. 物理實驗, 2014,34(5):20-23.

[12] 李華. 磁極和磁場實驗的創(chuàng)新設(shè)計[J]. 物理實驗,2009,29(11):11.

[13] 王麗梅. 基于創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)方法研究[J]. 實驗技術(shù)與管理,2014,31(1):19-21.

[14] Sudo S, Hashimoto H, Ikeda A. Measurements of the surface tension of a magnetic fluid and interfacial phenomena [J]. Japan Society of Mechanical Engineers, 1989,32(1):47-51.

[責任編輯：任德香]

Research on the Rosensweig peak of ferrofluid by magnetic field control

LI Yan-qin

(College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

An experiment device for exhibiting the Rosensweig peak of ferrofluid was designed. The variation of the number and gap of the Rosensweig peak was studied for different magnetic induction. The spatial distribution of magnetic field was demonstrated dynamically, its evolution under different magnetic induction was exhibited. The number of peaks increased with increasing magnetic induction. When magnetic induction was up to 250 mT, the variance of the number of peaks slowed down. When magnetic induction was weak, the Rosensweig peaks were sparse and the gap was wide, and the distribution of magnetic induction line was sparse. When magnetic induction became stronger, the Rosensweig peaks turned out to be dense and the gap was narrow, and the distribution of magnetic induction line was also dense.

ferrofluid; Rosensweig peak; magnetic field control

2015-04-11

大連大學(xué)2014年度教改項目(No.2014-126G1)

李艷琴(1979-)，女，山西忻州人，大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，博士，主要研究方向為磁性液體的性能及其應(yīng)用.

O441

A

1005-4642(2015)06-0004-04