智能磁性液體展示磁場的空間分布

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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智能磁性液體展示磁場的空間分布

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)

利用磁性液體在外加磁場時(shí)出現(xiàn)的羅森史維格尖峰,展示了不同磁體的三維磁場分布。磁性液體展示了圓柱形磁體的磁場空間分布,比較了非磁性材料和磁性材料對圓柱形磁體磁場空間分布的影響；展示了2個(gè)錯(cuò)位錐形磁體、圓錐形磁體和圓錐螺旋形磁體的磁場空間分布,比較了磁場強(qiáng)度對圓錐螺旋形磁體尖峰的影響。

磁場； 空間分布； 磁性液體

實(shí)物和場是物質(zhì)存在的兩種形式,它們分別從不同方面反映了真實(shí)的客觀存在[1]。場是一種看不見、摸不著的物質(zhì),如電荷周圍存在電場,磁體周圍存在磁場。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和人類生活中,處處存在磁場,如發(fā)電機(jī)、變壓器、電話、收音機(jī)、核磁共振成像[2-6]等;生物體內(nèi)有一些組織和器官也會產(chǎn)生微弱的生物磁場,鴿子回家、海龜回游等現(xiàn)象無不與磁場有關(guān)[7-9]。因此,有必要讓學(xué)生更深入地了解磁場。通常都是使用小磁針的偏轉(zhuǎn)、鐵屑有規(guī)律的分布來證實(shí)磁場的存在和展示磁力線的分布,但這只能讓學(xué)生看到二維的磁場空間分布。為了實(shí)現(xiàn)磁場空間分布的三維展示,本文使用一種新型的智能材料——磁性液體來展示不同磁鐵周圍的磁場空間分布。

1 磁性液體的微觀結(jié)構(gòu)

磁性液體是一種超順磁性的軟磁智能材料,由納米磁性顆粒、表面活性劑、載液3部分組成[10],如圖1所示。當(dāng)外加磁場作用于磁性液體時(shí),在重力、表面張力和磁力共同作用下,磁性液體沿著著磁力線方向出現(xiàn)羅森史維格尖峰[11-12],這些尖峰的空間分布反映了磁場的空間分布。

圖1 磁性液體的微觀結(jié)構(gòu)

2 圓柱形磁體磁場空間分布展示

圓柱形磁體的磁場空間分布早已為人們所熟悉,可通過鐵屑或模擬方法將磁力線的空間分布展示出來,但由于鐵屑分布不均勻會給學(xué)生帶來不必要的誤解;對于模擬結(jié)果,學(xué)生沒有身臨其境的感覺,對磁場的空間分布理解不深入。為此， 本文使用磁性液體智能材料來展示圓柱形磁體的磁場空間分布,將磁性液體注入到與其不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的無色透明液體中,該種液體的存在使磁性液體不會粘附在試管壁上,使磁場空間分布的展示效果更清晰。利用磁性液體演示管可展示不同形狀磁體的磁場空間分布。

磁性液體展示圓柱形磁體的磁場空間分布如圖2所示,由圖2(a)可觀察到,當(dāng)磁性液體距離圓柱形磁體較近時(shí),出現(xiàn)的尖峰個(gè)數(shù)較多,但每個(gè)尖峰長度較短,尖峰分布范圍較寬;當(dāng)圓柱形磁體遠(yuǎn)離磁性液體時(shí),尖峰個(gè)數(shù)減少，且尖峰分布范圍變窄,但每個(gè)尖峰的長度增加，如圖2(b)所示。該現(xiàn)象是由圓柱形磁體的磁場空間分布情況決定的,離圓柱形磁體端面較近的范圍,磁力線分布密集且磁場較強(qiáng),迫使磁性液體沿磁場較強(qiáng)的地方移動,出現(xiàn)了數(shù)目較多的尖峰,而且磁場較強(qiáng)的區(qū)域尖峰較長,磁場較弱的邊緣尖峰較短;隨磁性液體離圓柱形磁體端面變遠(yuǎn),磁力線分布變得稀疏,磁場強(qiáng)度變?nèi)?導(dǎo)致尖峰個(gè)數(shù)變少且尖峰變長。學(xué)生可通過該演示管觀察不同磁體、磁體位置的相對變化對尖峰狀態(tài)的影響,思考內(nèi)在的科學(xué)知識。

為了比較非磁性材料和磁性材料對圓柱形磁體磁場空間分布的影響,分別將木片和鐵片放在磁性液體和圓柱形磁體中間,比較二者對磁場空間分布的影響,結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3(a)和圖4(a)分別為木片和鐵片對圓柱形磁體磁場空間分布的影響模擬結(jié)果，圖3(b)和圖4(b)為磁性液體演示的木片和鐵片對圓柱形磁體磁場空間分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖3(b)可觀察到,木片對磁場空間分布未產(chǎn)生影響,磁性液體尖峰的分布狀態(tài)與圖2(a)一致;圖4(b)顯示鐵片對磁性液體的尖峰狀態(tài)產(chǎn)生了較大的影響,尖峰分布范圍拓寬,且每個(gè)尖峰的大小幾乎一樣,這主要是由于鐵片的存在改變了圓柱形磁體的磁場空間分布,鐵片表面磁場強(qiáng)度較均勻,因此,出現(xiàn)了尖峰的均勻分布狀態(tài),與模擬結(jié)果是一致的。

圖2 磁性液體展示的圓柱形磁體磁場空間分布

圖3 木片對圓柱形磁體磁場空間分布的影響

圖4 鐵片對圓柱形磁體磁場空間分布的影響

3 復(fù)雜磁體磁場空間分布展示

對于一些復(fù)雜的磁體,使用鐵屑演示或模擬方法將磁場空間分布展示出來比較困難,尤其是模擬對邊界條件的要求,使得復(fù)雜磁體的空間分布不能被展示出來。磁性液體智能材料的出現(xiàn),為復(fù)雜磁體的磁場空間分布提供了可能。圖5為2個(gè)錯(cuò)位錐形磁體的磁場空間分布展示,磁場較強(qiáng)的錐頭部有較多的磁性液體聚集連接在一起,形成錯(cuò)位美感,在錐體中部出現(xiàn)了面向錐頭部的尖峰,且尖峰逐漸變得稀疏。磁性液體生動演示了復(fù)雜磁體的磁場空間分布,還可通過移動錐體的位置,觀看不同情況下2個(gè)錯(cuò)位錐形磁體的磁場空間分布。

圖5 2個(gè)錯(cuò)位錐形磁體的磁場空間分布

將鐵塊分別加工為圓錐形和圓錐螺旋形磁體,放入盛有磁性液體的器皿中,通過施加電流來改變磁場。圓錐螺旋形磁體是在圓錐形磁體的基礎(chǔ)上,將外表面雕刻成有一定螺距的螺旋狀態(tài),正是由于這微小的雕刻,改變了圓錐形磁體原來的磁場空間分布。圖6和圖7分別為圓錐形磁體和圓錐螺旋形磁體的磁場空間分布,可看到二者的磁場空間分布完全不一樣[13]。由圖6可看到,磁性液體沿圓錐形磁體的外表面形成尖峰狀態(tài),靠近錐體底部的磁場較強(qiáng),尖峰長而大,在錐體頭部,尖峰變得細(xì)小而密度。圓錐螺旋形磁體的尖峰出現(xiàn)在螺距的邊緣,隨磁場強(qiáng)度的逐漸增加,尖峰沿螺距盤旋而上,在磁場較強(qiáng)的底部,尖峰較長,在錐體頭部尖峰短小而密集。圓錐形磁體和圓錐螺旋形磁體的磁場空間分布的不同，是由于微小的雕刻改變了圓錐形磁體的磁場空間分布。圖7(a)和圖7(b)分別為小電流和大電流時(shí),圓錐螺旋形磁體顯示的尖峰狀態(tài)，當(dāng)電流較小時(shí),圓錐螺旋形磁體周圍的磁場較弱,磁

性液體尖峰短小且稀疏;隨著電流增大,圓錐螺旋形磁體周圍的磁場增強(qiáng),尖峰變得細(xì)長而密集,顯示了磁場空間分布隨磁場強(qiáng)弱的變化情況。

圖6 圓錐形磁體的磁場空間分布

圖7 圓錐螺旋形磁體的磁場空間分布

4 結(jié)束語

以磁性液體展示的磁場分布,突破了傳統(tǒng)的二維平面展示磁場分布的效果,使看不見的磁場分布、磁力線等真實(shí)動態(tài)地三維展現(xiàn)出來,形象直觀,便于學(xué)生理解抽象概念;且磁性液體這種新奇的智能材料,使學(xué)生觀察到處于磁場中的磁性液體不但具有磁性,而且能受磁場控制,留給學(xué)生很大的想象空間,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

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Demonstrating space distribution of magnetic field using smart ferrofluid

Li Yanqin

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

The three-dimensional space distribution of magnetic field is demonstrated using ferrofluid.Rosenzweig peaks appear in the ferrofluid with applied magnetic field. The magnetic field distribution of cylindrical magnet is demonstrated by the ferrofluid and the effects of nonmagnetic material and magnetic material for magnetic field are researched. The magnetic field distribution of two malposed taper magnets,conical magnet and conical spiral magnet is demonstrated using ferrofluid and the effects of magnetic field intensities for Rosenzweig peaks are analyzed for conical spiral magnet.

magnetic field； space distribution； ferrofluid

2014- 06- 17 修改日期：2014- 08- 12

大連大學(xué)2014年度教改項(xiàng)目(2014-126G1);大連大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2013086)

李艷琴(1979—)，女，山西忻州，博士，講師，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科教結(jié)合工作，主要研究方向?yàn)榇判砸后w的性能及其應(yīng)用.

E-mail：liyanqin_dlu@126.com

G642.0；O441.2

B

1002-4956(2015)2- 0047- 03