磁天平法測(cè)量磁流體磁化特性實(shí)驗(yàn)研究

劉付永紅+曹東+葉曉靖

【摘 要】利用古埃磁天平進(jìn)行測(cè)量磁流體磁化特性，較好地驗(yàn)證了磁流體具有強(qiáng)磁性，磁化特性曲線中沒(méi)有磁滯回線的特點(diǎn)。且對(duì)磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線進(jìn)行了方程擬合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與磁流體理論基本一致。

【關(guān)鍵詞】磁流體； 分析天平； 磁化特性

引言

磁性材料在近代科學(xué)技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，不斷探索研究新的磁性材料的性質(zhì)，具有十分重大的意義，其中 磁流體成為納米磁性材料中的一個(gè)新熱點(diǎn)。磁流體材料是由納米強(qiáng)磁性粒子、基液以及表面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定膠狀溶液。該流體在靜態(tài)時(shí)無(wú)磁吸引力，當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，才表現(xiàn)出有磁性。由于這種膠狀液體既有固體磁性材料的強(qiáng)磁性，又有液體的流動(dòng)性，以及許多其它固體磁性材料與液體物質(zhì)所不具有的特殊性質(zhì)，因此作為一種特殊磁性材料，磁流體具有強(qiáng)磁性特點(diǎn)，但又與通常的鐵磁性物質(zhì)不同，其磁化特性曲線中不存在剩磁和矯頑力。用磁天平進(jìn)行磁化特性的測(cè)量是一種常用的材料磁特性測(cè)量方法，它具有簡(jiǎn)便、快速、直觀，能對(duì)順磁或反磁的固體和液體進(jìn)行測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。筆者4種不同材料磁流體，采用磁天平對(duì)其磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，并求得磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與磁流體的理論基本一致，該實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可在相關(guān)科研和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。

2.磁化特性測(cè)量原理

磁流體的磁化特性采用古埃磁天平原理進(jìn)行測(cè)量，其工作原理圖如圖1所示。將樣品裝入圓柱形玻璃樣品

圖1古埃磁天平工作原理示意圖

管中，懸掛在電子天平的一個(gè)臂上，使樣品中心處于電磁鐵兩極的中心（即均勻磁場(chǎng)區(qū)域），此處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大。樣品的頂端離磁場(chǎng)中心較遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱，整個(gè)樣品處于一個(gè)非均勻的磁場(chǎng)中。由于沿樣品的軸心z方向，存在一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，故樣品沿Z軸方向受到磁力作用，大小為：

fz=∫H0H（x-x空） （1）

式中H為磁場(chǎng)中心磁場(chǎng)強(qiáng)度，H0為樣品頂端處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，x為樣品體積磁化率，x空為空氣的體積磁化率，S為樣品的截面積（位于X、Y平面）， 為真空磁導(dǎo)率。

通常H0即為當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)強(qiáng)度，一般可略去不計(jì)，作用于樣品的力可表示為：

由于天平分別裝有被測(cè)樣品的樣品管和不裝樣品的空樣品管在有外加磁場(chǎng)和無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)的質(zhì)量變化，某一不均勻磁場(chǎng)作用于樣品的力可由下式計(jì)算：

fz=（△m樣品+空管-△m空管）g （3）

式中，△m樣品+空瓶為裝有樣品的樣品管在外加磁場(chǎng)，質(zhì)量變化值，△m空瓶為空樣品管在外加磁場(chǎng)，質(zhì)量變化值。

式中，空氣的體積磁化率x空相對(duì)樣品而言通常很小，可忽略不計(jì)。

3.實(shí)驗(yàn)裝置及材料

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：FD—FM—A型古埃磁天平，JA2003A型電子天平，內(nèi)徑10mm、長(zhǎng)180mm底部為平底的圓形玻璃管。

磁流體樣品為載液不同的四種磁流體，分別是：A—水基鐵氧體磁流體，B—航煤基鐵氧體磁流體，C—機(jī)油基鐵氧體磁流體，D—二酯基鐵氧體磁流體（以下實(shí)驗(yàn)中都采用此編號(hào)）。

4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

①預(yù)熱磁天平五分鐘后，校正磁天平，調(diào)節(jié)磁天平兩磁極間距在20mm處；

②用電子天平稱空樣品玻璃管質(zhì)量，將玻璃管安裝在磁天平兩磁極中央位置（一定要調(diào)整在中央位置，否則隨著磁場(chǎng)不斷增大，由于位置不在中央，會(huì)引起左右兩磁極對(duì)樣品的磁吸引力大小不一樣，因而樣品管會(huì)向受力大的一方偏移，最后被吸附在磁極上，造成測(cè)量結(jié)果有較大誤差）；

③調(diào)節(jié)磁天平電流大小，磁場(chǎng)強(qiáng)度從零開(kāi)始逐步增大，依次稱空管質(zhì)量。再反向逐步減小磁場(chǎng)，稱空樣品玻璃管質(zhì)量，兩次稱量結(jié)果要基本一樣。

④樣品管加樣品，磁場(chǎng)強(qiáng)度從零逐漸加大， 按照步驟②③進(jìn)行測(cè)量，同一磁場(chǎng)下的兩次（磁場(chǎng)上升和下降各一次）稱量，若結(jié)果相差較大，則須全部重稱。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得磁流體磁化特性曲線，所得數(shù)據(jù)繪制成磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖后（見(jiàn)圖2～5），可以看出四種磁流體的飽和磁化強(qiáng)度大致都在330Gs，磁流體達(dá)到飽和時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000～1300Gs左右，因?yàn)樗姆N磁流體采用的磁性微粒是相同的，所以磁化特性相近。

從以上4圖可以看出，4條特性曲線的曲線形狀十分相似，磁流體磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)不斷趨于平緩。這些實(shí)驗(yàn)特性曲線與著名學(xué)者R.E.Rosensweig和Shliomis提出的磁流體磁化特性曲線理論及實(shí)驗(yàn)曲線基本一致。

一般磁流體的磁化特性可用Langevin函數(shù)來(lái)表示，但是該公式比較抽象，在實(shí)際應(yīng)用中很不方便。根據(jù)上述特性曲線圖形的特點(diǎn)，磁流體磁化特性函數(shù)非常符合反正切函數(shù)形式M=α·arctan（β·H），因此可采用該函數(shù)來(lái)表達(dá)磁流體磁化特性。對(duì)于其中磁流體材料參數(shù)α和β，采用擬合方程法分別求解。

對(duì)此方程進(jìn)行擬合，得到擬合曲線分別如圖2～5所示。

其擬合參數(shù)方程如下：

水 基： MA=275arc tan（0.0028H） （5）

航油基： MB=230arc tan（0.0038H）（6）

機(jī)油基： MC=250arc tan（0.0035H）（7）

二酯基： MD=240arc tan（0.0036H）（8）

通過(guò)擬合獲得的磁化特性曲線方程，將方便于磁流體在各種應(yīng)用場(chǎng)合的使用。本實(shí)驗(yàn)可用于磁流體磁化相關(guān)的應(yīng)用研究，也可以用于大學(xué)生近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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