磁性液體沉浮演示儀

袁青鑫,吳 鵬,李學(xué)慧

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

1 引 言

2 結(jié)構(gòu)與原理

磁性液體是用表面活性劑將直徑為10 nm左右的單磁疇納米顆粒包覆并高度彌散于載液中形成的一種“固—液”兩相膠體溶液,根據(jù)基載液不同可分為水基[1]、油基、烴和酯類(lèi)等.在磁場(chǎng)作用下磁性液體不僅具有液體的流動(dòng)性還有固體材料的磁性,是一種新型的納米液態(tài)功能材料[2],以其優(yōu)越的獨(dú)特性能在航空航天、機(jī)械、冶金、環(huán)保和生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3].同時(shí)以磁性液體為基礎(chǔ)的各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器應(yīng)用也獲得良好的效果,演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中具有不可替代的作用[4].為了展示磁性液體的懸浮性能,研制了磁性液體沉浮演示儀[5].通過(guò)該儀器不僅能觀察到數(shù)倍于磁性液體自身密度的非磁性物體從液體底部浮起,而且更能誘導(dǎo)學(xué)生去思考新材料的奇異性能和潛在應(yīng)用.

磁性液體沉浮演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)裝置主要包括3部分:磁性液體、調(diào)控電源和梯度磁場(chǎng)部分.

圖1 磁性液體沉浮演示儀

梯度磁場(chǎng)是磁性液體沉浮演示儀的關(guān)鍵部分.電磁鐵是由圓柱型鐵芯和線圈組成.圓柱鐵芯可支撐勵(lì)磁線圈,線圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁通量被耦合到鐵芯中,它既是磁通量的收集器,又是阻力極小的磁通量通道.上下磁軛板與3根圓柱鐵芯相連,不僅起到固定作用,而且能增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度.中間的鐵芯比兩側(cè)的鐵芯短35 mm,磁通量在中間和兩側(cè)的電磁線圈間形成較強(qiáng)磁回路.

當(dāng)無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí),磁性液體中磁性微粒做無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng),總磁矩為零,納米微粒在載液中的分布呈隨機(jī)均勻狀態(tài);當(dāng)有外加磁場(chǎng)作用時(shí),磁性微粒向磁場(chǎng)梯度較大的位置移動(dòng),磁矩趨向于磁感線方向,且微粒沿磁感線方向呈球簇鏈狀排列,導(dǎo)致磁性微粒有序聚集到磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的位置[6],使磁性液體單位體積內(nèi)微粒數(shù)目增加,改變了磁性液體的局部密度,起到“增重”的效果.在梯度磁場(chǎng)和閉合回路的條件下將非磁性物質(zhì)放入盛有磁性液體的玻璃容器,通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)改變磁場(chǎng)的大小,可以清楚看到非磁性物質(zhì)在磁性液體中的懸浮現(xiàn)象.

3 操作與演示

磁性液體沉浮演示儀所采用的技術(shù)方案是:磁性液體沉浮演示儀,梯度磁場(chǎng)上放置透明玻璃容器,容器中裝有油基的磁性液體和若干密度不同的非磁性物體.油基磁性液體特性參量見(jiàn)表1,ρ為密度,Ms為磁飽和強(qiáng)度,d為平均粒度.選用的玻璃容器的高度為4.00 cm,加入磁性液體的量達(dá)到玻璃容器高度的1/2為佳,磁性液體的液面高出玻璃容器中的非磁性物體約0.60 cm.非磁性物體選用鉛塊、黃銅、紫銅、鋁塊、玻璃和塑料,其物質(zhì)特征參量見(jiàn)表2.將非磁性物體放入透明玻璃容器中,打開(kāi)調(diào)控電源,緩慢調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流I,會(huì)發(fā)現(xiàn)非磁性物體塑料塊先浮出液面,隨著勵(lì)磁電流的增加,玻璃、鋁塊和紫銅、黃銅、鉛塊分別先后浮出液面.

表1 油基磁性液體特性參量

表2 非磁性物質(zhì)的特征參量

磁性液體沉浮演示儀在不同電流情況下產(chǎn)生大小不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度,采用有限單元法[7]模擬了電流在4.76 A時(shí)兩側(cè)和中間電磁線圈的磁感線分布,如圖2所示.根據(jù)非磁性物體浮出液面的情況,可定性地觀察到磁性液體的懸浮性能,得到非磁性物體浮出液面的情況與電流之間的關(guān)系曲線,如圖3所示.

從圖3可得不同密度的非磁性物體浮出液面時(shí)所需的電流.隨電流的增強(qiáng),非磁性物體浮出液面的高度隨磁場(chǎng)的增強(qiáng)而逐漸增大,如何定量測(cè)量這種變化關(guān)系是下一步要深入研究的工作.

圖2 磁感線分布模擬圖

圖3 非磁性物體浮出液面的情況與磁場(chǎng)間的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

磁性液體沉浮演示儀是基于磁性液體懸浮性能的一種新型實(shí)驗(yàn)演示儀器,本儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作、現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn),讓學(xué)生了解到在磁場(chǎng)中磁性液體具有分選不同密度物質(zhì)的能力,已在工業(yè)選礦、分離技術(shù)得到普遍應(yīng)用;在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以激發(fā)學(xué)生對(duì)新材料的濃厚興趣,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力[8];對(duì)實(shí)驗(yàn)研究及磁性液體的開(kāi)發(fā)利用均有意義.

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