磁致炫光研究

鄧宇

摘要：點(diǎn)光源發(fā)出的光，通過(guò)各種光學(xué)元件的時(shí)候，除了正常成像以外，還有可能產(chǎn)生各種雜散光，形成光斑或者光圈等圖像的現(xiàn)象，稱為炫光。影響炫光形成的原因比較多，比如觀察方向是否正對(duì)光源，透鏡表面是否鍍膜減少反射，透光孔徑是否過(guò)小，各光學(xué)元件光軸是否同軸等。通常的處理方法都是為了減少炫光，提高成像質(zhì)量，只有少數(shù)藝術(shù)攝影采取形成眩光的狀態(tài)拍攝。而我們這次研究的主要內(nèi)容是，磁場(chǎng)對(duì)炫光狀態(tài)的影響和如何加強(qiáng)炫光的效果，用于動(dòng)態(tài)觀測(cè)磁場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：磁流體;磁致炫光;磁力線

【中圖分類號(hào)】TQ138.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2236-1879（2018）13-0002-01

【正文】對(duì)于磁場(chǎng)的觀察，一般是采用鐵粉在磁場(chǎng)中的分布來(lái)顯現(xiàn)的，只能粗略觀察到磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)弱，無(wú)法精確測(cè)量。為了達(dá)到動(dòng)態(tài)觀察和測(cè)量磁場(chǎng)的目的，將鐵粉更改為微粒更精細(xì)的磁流體液體，使用兩片玻璃上下夾持，并用點(diǎn)光源從下方照射，在玻璃上放置產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的樣品，如果有明顯的炫光光圈兒出現(xiàn)，就可模擬顯示磁力線的分布。實(shí)際操作時(shí)現(xiàn)象并不明顯，沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的效果，因此有必要針對(duì)磁致炫光效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，才能達(dá)到最初設(shè)想的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

首先研究一下磁流體的結(jié)構(gòu)、特性和制備方法，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡男枰?，制備相?yīng)特性的磁流體。磁流體是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動(dòng)性又具有固體磁性材料的磁性，在重力和磁力作用下能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)沉淀或分層現(xiàn)象。其主要成分是由直徑為納米量級(jí)（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。該流體在外加磁場(chǎng)作用時(shí)呈現(xiàn)出許多特殊的磁、光、電現(xiàn)象。與其他液體相比，磁流體具有以下特點(diǎn)：

（1）在外加磁場(chǎng)下，有懸浮在載體中的能力。

（2）既具有液體的流動(dòng)性，又具有固體磁性材料的特性，有感應(yīng)磁通的能力。

（3）超聲波在磁流體中傳播時(shí)，其速度以及衰減與外磁場(chǎng)有關(guān)，并顯示各向異性。它的介電常數(shù)也是各向異性的。

（4）光通過(guò)稀釋的磁流體，或磁流體的薄層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的雙折射現(xiàn)象。當(dāng)磁化時(shí)，使相對(duì)于磁場(chǎng)方向具有光的各向異性，具有產(chǎn)生炫光的趨勢(shì)，在這里我們首次將其定義為磁致炫光效應(yīng)。

（5）在垂直磁場(chǎng)的作用下，會(huì)自發(fā)地形成穩(wěn)定的波峰。

（6）磁流體在外加磁場(chǎng)的作用中，將流向并固定在磁場(chǎng)強(qiáng)度高的一方。

通常磁流體成分中磁性固體顆粒采用的有Fe304、Fe203、Ni、Co等，以水、有機(jī)溶劑、油等作為基液，以油酸等作為活性劑防止團(tuán)聚。磁流體制備方法主要有研磨法，解膠法，熱分解法，放電法等。

關(guān)于磁流體的理論很難像普通流體力學(xué)理論那樣得到充分的驗(yàn)證。磁流體在磁場(chǎng)的作用下形成豐富的微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光產(chǎn)生不同的影響，能在很大的程度上改變光的透射率和折射率，產(chǎn)生大的法拉第旋轉(zhuǎn)、磁二向色散性、克爾效應(yīng)、磁致炫光效應(yīng)等。那么，磁致炫光的效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)制是怎樣的呢？通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁流體薄層受到磁場(chǎng)的作用會(huì)改變自身形狀為網(wǎng)狀突起，從而形成透鏡矩陣，產(chǎn)生炫光，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化的方向，能透光的網(wǎng)眼大小也依次改變，從而改變點(diǎn)光源的透射率形成一條曲線條紋，若采用環(huán)狀點(diǎn)陣LED光源，則顯現(xiàn)與磁力線分布類似的曲線圖，通過(guò)測(cè)量某個(gè)局部區(qū)域的磁力線的線密度，可以定量測(cè)定磁感強(qiáng)度的大小。

正是因?yàn)榇帕黧w具有以上各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)和諸多不確定特性，我們才決定選用這種材料，通過(guò)大量試驗(yàn)性研究發(fā)現(xiàn)，不同材料制成的磁流體，擁有不同的特性，即使是同種材料制成的磁流體，溶于不同種基液中，其體現(xiàn)出的特性也是不一樣的。

為了加強(qiáng)炫光出現(xiàn)的效果，磁流體粉末的制備原材料采用鐵氧體，制備方法采用研磨法，基液采用分子極小，透光率較高的精密鐘表油，并加入有機(jī)溶劑稀釋，儀器配套使用的各項(xiàng)器材可以做如下優(yōu)化：玻璃板下層為超薄玻璃，上層為有機(jī)玻璃，光源采用改制的環(huán)形LED點(diǎn)陣光源，并為其配備可調(diào)直流電源用于調(diào)整合適的光強(qiáng)，光源與玻璃屏間距需要通過(guò)升降裝置可調(diào)，達(dá)到最佳效果。至此動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)觀測(cè)儀成功研制出來(lái)，其測(cè)量和計(jì)算磁場(chǎng)的方法實(shí)例如下：

1定標(biāo)測(cè)量：采用磁感強(qiáng)度已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品放在測(cè)量區(qū)域測(cè)出磁力線的線密度。

2未知磁場(chǎng)測(cè)量：在同一區(qū)域更換已知樣品為未知待測(cè)樣品，測(cè)出待測(cè)樣品周圍磁力線的線密度的最大值。

3計(jì)算：由于磁感強(qiáng)度和磁力線線密度成正比，因此

4對(duì)同一樣品重復(fù)測(cè)量六次，計(jì)算不確定度，并得到最終測(cè)量

結(jié)果：

動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)觀測(cè)儀的成功研制，標(biāo)志著我們對(duì)磁致炫光效應(yīng)的研究取得了階段性的勝利，開辟了磁流體在教學(xué)科研和演示測(cè)量?jī)x器方面的新用途，發(fā)揚(yáng)了當(dāng)前時(shí)代國(guó)家大力倡導(dǎo)的科技強(qiáng)國(guó)的精神。

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