磁性液體表觀密度的實(shí)驗(yàn)研究

1、磁性液體表觀密度的實(shí)驗(yàn)研究磁性液體（Magnetic fluid）簡稱磁流體，它是由單分子層（2nm）表面活性劑包覆的，直徑小于10nm的單疇磁性顆粒高度彌散于某種載液中而形成的“固液”兩相膠體溶液，既具有液體的流動(dòng)性又具有固體磁性材料的磁性，是一種性能獨(dú)特應(yīng)用廣泛的新型納米液態(tài)功能材料1，理想的磁流體磁滯回線是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的S型曲線，無磁滯現(xiàn)象2。磁流體技術(shù)是一門涉及物理、化學(xué)、力學(xué)、流變學(xué)等多學(xué)科的交叉邊緣學(xué)科，是材料科學(xué)中的一支新秀3。在外界磁場作用下，磁流體具有懸浮、承壓、密封、導(dǎo)航、定位等特性，我們利用磁流體密度受磁場梯度影響而分布的非均勻性，研制出“磁流體表觀密度隨磁場變化測量儀

2、”4，既能測量磁流體中不同深度的表觀密度，也能測量磁流體中某點(diǎn)的表觀密度隨磁場變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)原理1. 磁流體的表觀密度用透明玻璃細(xì)管盛滿磁流體并置于恒定非均勻磁場中，則管內(nèi)單位體積磁流體受到重力Fg和磁力Fm的作用,若重力方向?yàn)閆，則其所受合力為： （1）若用H表示磁場強(qiáng)度，用表示磁流體的磁化強(qiáng)度，表示方向的磁場梯度,表示磁流體固有密度，則（1）式為 （2）若磁場梯度，則。相當(dāng)于磁流體得到加重，或者說，磁流體的固有密度在非均勻磁場中發(fā)生了變化，在這種情況下的磁流體密度就稱為表觀密度或視密度，用表示：即： （3）即為磁場中磁流體的表觀密度。可見，表觀密度不僅與其固有密度有關(guān)，還與它的磁化強(qiáng)度、

3、它所在環(huán)境中的磁場及磁場梯度有關(guān)。2. 測量原理由（3）式，只要測出，以及H，即可求出。但這種方法需要的儀器種類較多，程序也比較復(fù)雜。磁流體做為一種固液兩相膠體溶液，它的表觀密度可以用流體靜力稱衡法通過單盤天平來測量。測量程序與實(shí)驗(yàn)二中描述的方法大至相同。具體提示如下：1) 在天平橫梁的左端，用細(xì)線懸吊一個(gè)由非鐵磁質(zhì)制成的平衡錘，在天平的砝碼盤上加砝碼，測出平衡錘在空氣中的質(zhì)量。2) 將平衡錘吊入密度為蒸餾水中，測出平衡錘在蒸餾水中的表觀質(zhì)量，得到 (4)式中是平衡錘的體積，是蒸餾水的密度。3) 將平衡錘吊入盛有磁流體的玻璃量筒內(nèi)，測出它在磁流體中的表觀質(zhì)量，得到 （5）由（4）、（5）式得

4、（6）可見，只要測出平衡錘的固有質(zhì)量，以及它在蒸餾水中表觀質(zhì)量和在磁流體中的表觀質(zhì)量，則可求出磁流體的表觀密度。值得指出的是，測時(shí)，應(yīng)在平衡錘所在處及周圍的有限空間內(nèi)提供一個(gè)非均勻磁場。這個(gè)磁場由電磁鐵產(chǎn)生，電磁鐵固定在天平的底座上，如圖1所示,只要在電磁鐵線圈中通以電流I，即可產(chǎn)生磁場，且磁場強(qiáng)度H隨I而變。在量筒內(nèi)的不同深度，將不同。即使在同一深度，I變化時(shí)，也將發(fā)生變化。圖1磁性液體表觀密度測量儀結(jié)構(gòu)示意圖 1天平橫梁 2橫梁支架 3天平支柱 4天平稱盤 5T型螺母6T型螺桿 7天平底座 8磁化線圈 9鐵心10玻璃量筒 11平衡錘 12磁流體 13標(biāo)尺實(shí)驗(yàn)任務(wù)1. 測量磁流體在不同深度h

5、處的，至少測6個(gè)點(diǎn)，并作出曲線，根據(jù)曲線形狀說明變化規(guī)律，解釋產(chǎn)生這種變化的原因。2. 在同一深度測。改變勵(lì)磁電流，至少取6個(gè)I值，并作出曲線。根據(jù)曲線形狀說明變化規(guī)律，解釋產(chǎn)生這種變化的原因。3. 允許學(xué)生在上述兩項(xiàng)任務(wù)之外，另尋其它實(shí)驗(yàn)課題，實(shí)驗(yàn)室將提供幫助。實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)室提供磁流體表觀密度測量儀、高斯計(jì)、磁流體樣品等。磁流體表觀密度測量儀,如圖1所示，它是由四部分組成；一是單盤天平，調(diào)節(jié)T形螺母5和T形螺桿6，可以使橫梁1上升或下降；二是由磁鐵8、9及直流穩(wěn)壓電源（穩(wěn)壓電源未畫出），調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓，可以改變勵(lì)磁電流I；三是玻璃量筒10，用來盛磁流體試樣12；四是深度標(biāo)尺13，用來

6、測量平衡測錘所在的深度。方法提示1. 單盤天平的操作方法與雙盤天平基本相同。2. 勵(lì)磁電流不大于1.4安培。3. 勵(lì)磁線圈工作時(shí)，應(yīng)將鐵磁物質(zhì)以及易受磁場影響的其它物品移開。創(chuàng)新園地利用磁流體在非均勻磁場中表觀密度的變化規(guī)律，已經(jīng)成功地用來分選密度不同的非鐵磁性物質(zhì)，這就是“比重法分離技術(shù)”。具體做法是：把兩種需要分離的材料放入磁流體中，然后施加外磁場，使其中一種材料上浮，另一種材料下沉。日本研制的比重分選機(jī)成功的將混雜在一起的玻璃和陶瓷分離。根據(jù)你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，請你預(yù)測一下你能將哪些材料從磁流體的底部懸浮上來？不妨試一試。參考資料1 姬海寧，蘭中文，王豪才，納米技術(shù)在磁性材料中的應(yīng)用，磁性材料及器件，2002，33（2）：25-282 徐教仁，劉思林，騰榮厚等，高飽和磁化強(qiáng)度氮化鐵磁性液體的研制，金屬功能材料，2001，8