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)

磁場強(qiáng)度對磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響

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)

摘要：研究了3種磁性液體的磁表面張力系數(shù)隨磁場強(qiáng)度的變化規(guī)律. 結(jié)果表明：隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大，且磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，其磁表面張力系數(shù)越大. 當(dāng)外加磁場作用于磁性液體時，各磁偶極子的磁矩方向轉(zhuǎn)向外加磁場方向，形成了沿磁場方向排列的長磁鏈，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加. 隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體液膜拉脫過程中電壓最大值從80.3 mV增加到了87.0 mV，主要是由于磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)使液膜中納米磁性顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，使片狀吊環(huán)受到的拉力增大.

關(guān)鍵詞：磁性液體；磁表面張力系數(shù)；磁場強(qiáng)度

1引言

磁性液體是一種具有超順磁性的液體智能材料，它由納米磁性顆粒、表面活性劑和載液3部分組成，納米磁性顆粒依靠表面活性劑分子層的排斥力穩(wěn)定存在于載液中[1]. 無外加磁場作用時，納米磁性顆粒均勻分布在載液中，磁性液體不顯示宏觀磁性. 當(dāng)外加磁場作用于磁性液體時，大量納米磁性顆粒向磁場強(qiáng)的方向移動，導(dǎo)致磁性液體的各項性能發(fā)生較大變化，如磁性液體各處密度不同，利用密度梯度可進(jìn)行礦物分離[2]；磁場會對磁性液體界面產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響，出現(xiàn)磁性液體尖峰狀態(tài)[3]；磁性液體中的納米磁性顆粒會沿磁場方向進(jìn)行排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)[4]，這些鏈狀結(jié)構(gòu)會對磁性液體的表面張力產(chǎn)生較大的影響[5]，因此，將有外加磁場作用時，磁性液體的表面張力定義為磁表面張力. 陳達(dá)暢等人的研究結(jié)果顯示[6]，外加磁場作用于磁性液體時，納米磁性顆粒的規(guī)則排列使磁性液體形成了致密的鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其磁表面張力明顯增加.

大學(xué)物理實驗是理工科學(xué)生的必修課程，“拉脫法測量液體的表面張力系數(shù)”是該門課程的一個傳統(tǒng)實驗，一般僅測量自來水的表面張力系數(shù)，內(nèi)容簡單，導(dǎo)致實驗內(nèi)容不飽滿，沒有實驗的設(shè)計及引深環(huán)節(jié)，提不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因此，有必要在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上增設(shè)一些設(shè)計性實驗內(nèi)容,艾志偉等人[7]也提出將PBL教學(xué)模式應(yīng)用到拉脫法測量液體的表面張力系數(shù)，以問題為導(dǎo)向，可促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)；趙西梅等人[8]將時差法引入聲速測量實驗，利用Origin軟件測量復(fù)合介質(zhì)中超聲波的傳播速度，通過增設(shè)的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生自己去思考和設(shè)計實驗路線，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力. 因此，本文將性能特殊的磁性液體引入實驗教學(xué)中，增加了磁場裝置，讓學(xué)生充分了解磁性液體表面張力的特殊性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.

2實驗裝置及原理

本文使用拉脫法測試了磁性液體的磁表面張力系數(shù)，測試裝置如圖1所示，以空心電磁鐵的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖1所示的坐標(biāo)系. 將培養(yǎng)皿放入空心螺線管的中心位置，倒入約1.0 cm高磁性液體，保證拉脫過程中磁性液體和片狀吊環(huán)處于均勻磁場中，所施加的磁場方向豎直向上，該磁場方向平行于切線方向的磁性液膜，研究均勻磁場強(qiáng)度對磁性液體磁表面張力的影響. 詳細(xì)實驗原理見文獻(xiàn)[9]，根據(jù)下式即可計算磁性液體的表面張力系數(shù)為

式中，σ為磁性液體的表面張力系數(shù)，U1和U2分別為液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值，B為力敏傳感器靈敏度，D1和D2為片狀吊環(huán)的內(nèi)外徑.

1.空心螺線管　2.載物臺　3.磁性液體　4.培養(yǎng)皿　5.非磁性片狀吊環(huán)　6.磁屏蔽網(wǎng)　7.力敏傳感器8.升降裝置　9.立柱和標(biāo)尺圖1　磁性液體磁表面張力測試儀

實驗中所使用的3種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，所使用的載液為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. 制備3種磁性液體時，除載液質(zhì)量不相同外，其他制備參量均相同，F(xiàn)P-1，F(xiàn)P-2和FP-3磁性液體的載液質(zhì)量比為9∶10∶11，所制備3種ε-Fe3N磁性液體中納米磁性顆粒的直徑為9~15 nm，飽和磁化強(qiáng)度分別為67.18，56.17，50.11 mT.

3外加磁場對磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響

對力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，使用Origin軟件對直線進(jìn)行擬合，可得力敏傳感器靈敏度[9]B=7.727 V/N. 使用95A型集成霍爾元件特斯拉計測量了不同電流時電磁線圈軸線上的磁場強(qiáng)度，如圖2所示，在[-5.0 cm,5.0 cm]范圍內(nèi)，磁場強(qiáng)度是均勻的，隨電流增加，磁場強(qiáng)度逐漸增強(qiáng).

圖2　不同電流時線圈軸線上的磁場強(qiáng)度分布圖

室溫(20±0.5)℃時，分別測量了FP-1，F(xiàn)P-2和FP-3磁性液體不同磁場強(qiáng)度時，磁性液體液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值U1和U2，根據(jù)式(1)即可計算3種磁性液體不同磁場強(qiáng)度時的磁表面張力系數(shù). 以磁場強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，磁表面張力系數(shù)為縱坐標(biāo)，使用Origin軟件繪圖，可研究磁場強(qiáng)度對磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響規(guī)律，如圖3所示.

圖3　3種磁性液體磁表面張力系數(shù)隨磁場　強(qiáng)度變化曲線

由圖3可知，隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大，且FP-1磁性液體的磁表面張力系數(shù)最大，主要是由于該磁性液體載液用量較另外2種小，它的飽和磁化強(qiáng)度最強(qiáng)造成. 磁性液體中納米磁性顆粒的直徑為9~15 nm，粒徑小于單疇臨界尺寸，納米磁性顆粒呈單磁疇結(jié)構(gòu)，因此納米磁性顆粒可視為磁偶極子，磁偶極子的磁矩方向在由磁晶各向異性決定的易磁化方向上，各磁偶極子的易磁化方向不同，磁矩方向也不同，因此，無外加磁場作用時，各磁偶極子的磁矩方向雜亂無章、互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性，磁性液體的磁表面張力系數(shù)較小. 當(dāng)外加磁場作用于磁性液體時，各磁偶極子的磁矩方向轉(zhuǎn)向外加磁場方向，形成了沿磁場方向排列的長磁鏈，外加磁場增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加[10]，且外加磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大.

為分析磁場強(qiáng)度對磁性液體磁表面張力系數(shù)的具體影響，以FP-2磁性液體為例測量了不同磁場強(qiáng)度時液膜拉脫過程的電壓變化曲線，如圖4所示. 根據(jù)受力情況將磁性液體液膜拉脫過程的電壓變化曲線分為6個階段[9]，即AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G階段，不同階段片狀吊環(huán)的受力情況在文獻(xiàn)[9]中已詳細(xì)敘述，這里僅研究磁場強(qiáng)度對磁性液體液膜拉脫過程的影響. 由圖4可知，隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，電壓最大值從80.3 mV增加到87.0 mV，主要是由于磁場強(qiáng)度增強(qiáng)使液膜的表觀重力增加，液膜中納米磁性顆粒之間的相互作用也增強(qiáng)，使片狀吊環(huán)受到的拉力增大. 無外加磁場作用時，液膜破裂僅需1 s；當(dāng)磁場強(qiáng)度為43.48 kA/m時，由于磁場增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，液膜需3.5 s才能破裂. 比較無磁場和有磁場時磁性液體液膜的電壓隨時間變化曲線發(fā)現(xiàn)，無磁場作用時，F(xiàn)G階段未出現(xiàn)液膜破裂的中間過程，液膜瞬間破裂；有外加磁場作用于磁性液體時，F(xiàn)G階段出現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，液膜破裂的時間大于無磁場作用時的時間，主要是由于外加磁場增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，分子和分子之間的磁吸引力增強(qiáng)，導(dǎo)致液膜逐步破裂.

(a)17.96 kA/m

(b)28.86 kA/m

(c)35.70 kA/m

(d)43.48 kA/m圖4　不同磁場強(qiáng)度時FP-2磁性液體拉脫過程電壓　隨時間變化曲線

4結(jié)論

使用拉脫法測量了3種磁性液體的磁表面張力系數(shù)，研究了磁場強(qiáng)度對磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響. 隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大， 且FP-1磁性液體的磁表面張力系數(shù)最大，主要是由于該磁性液體載液用量較另外2種小，飽和磁化強(qiáng)度最強(qiáng)造成. 這主要是由于無外加磁場作用時，各磁偶極子的磁矩方向雜亂無章、互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性，磁性液體的表面張力系數(shù)較小. 當(dāng)外加磁場作用于磁性液體時，各磁偶極子的磁矩方向轉(zhuǎn)向外加磁場方向，形成了沿磁場方向排列的長磁鏈，外加磁場增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加，且外加磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大. 隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體液膜拉脫過程中電壓最大值從80.3 mV增加到87.0 mV，主要是由于磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)使液膜的表觀重力增加，液膜中納米磁性顆粒之間的相互作用也增強(qiáng)，使片狀吊環(huán)受到的拉力增大. 無外加磁場作用時，液膜破裂僅需1 s；當(dāng)磁場強(qiáng)度為43.48 kA/m時，由于磁場增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，液膜需3.5 s才能破裂. 外加磁場增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，使分子和分子之間的磁吸引力增強(qiáng)，液膜逐步破裂，磁性液體的磁表面張力系數(shù)逐漸增加.

參考文獻(xiàn)：

[1]黃巍，王曉雷. 磁性液體的制備及其在工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 潤滑與密封,2008,33(10): 91-94.

[2]張彥平,高福祥,鄭龍熙. 離心式磁流體分選機(jī)的研制[J]. 金屬礦山,1991(7):34-38.

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

[4]Li Yanqin, Li Xuehui. Influence of perpendicular magnetic field on apparent density and microstructure of magnetic fluid [J]. Chinese Physics Letters, 2012,29(10):107501.

[5]顧建明,黃欣,盛翠萍,等. 磁表面張力——磁流體密封機(jī)理研究的新思路[J]. 潤滑與密封,2000(4):10-12.

[6]陳達(dá)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]艾志偉，吳昊. 以液體表面張力系數(shù)測量實驗為例的PBL教學(xué)模式探討[J]. 物理實驗,2013,33(7):20-22.

[8]趙西梅，李何亭，周紅. 超聲波聲速測量的拓展實驗[J]. 物理實驗，2014，34(12)：33-35.

[9]李艷琴. 磁性液體磁表面張力測試及其液膜拉脫過程受力分析[J]. 物理實驗,2014,34(7):37-41.

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

[責(zé)任編輯：郭偉]

Effects of magnetic field on magnetic surface tension coefficient of ferrofluid

LI Yan-qin

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

Abstract:The dependence of magnetic surface tension coefficient on magnetic field intensity was studied for three kinds of ferrofluid. With the increase of magnetic field intensity, the magnetic surface tension coefficient increased gradually. The magnetic surface tension coefficient became larger for stronger saturation magnetization of ferrofluid. When exposed to magnetic field, the torques of magnetic dipoles align along the external magnetic field and the ferroparticles form chain-like structure along the external magnetic field, leading to increased magnetic surface tension coefficient. The maximum voltage increased from 80.3 mV to 87.0 mV in the pull-apart process of liquid film with strengthening magnetic field intensity, largely because of the enhanced interaction between ferroparticles under stronger magnetic field which leaded to the increase of pulling force.

Key words:ferrofluid; magnetic surface tension coefficient; magnetic field intensity

中圖分類號：O493.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)05-0030-04

作者簡介：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，從事物理實驗教學(xué)及科教結(jié)合工作.

收稿日期：2014-11-11；修改日期：2015-03-10

資助項目：大連大學(xué)2014年度教改項目(No.2014-126G1)