磁性液體的熱學(xué)特性研究*

張鳳萱，趙鑫媛，盧 迎，蘇 波

（首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048）

磁性液體是在鐵磁性物質(zhì)或者亞鐵磁性物質(zhì)的納米顆粒表面吸附一層表面活性劑，然后均勻分散在某種基液中形成的彌散溶液。磁性液體具有較高的導(dǎo)熱性能和傳熱性能，其流動和傳熱過程可以通過磁場來調(diào)控，所以磁性液體為強(qiáng)化傳熱帶來了新的機(jī)遇。Nkurikiyimfura等人研究了顆粒大小以及顆粒所占體積分?jǐn)?shù)對磁場下機(jī)油基Fe3O4磁性液體的導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明體積分?jǐn)?shù)越大顆粒越小，其導(dǎo)熱系數(shù)就越大[1]；Philip等人分別研究了乙二醇基、煤油基和水基磁性液體的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)熱系數(shù)比隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，但當(dāng)體積分?jǐn)?shù)小于1.71%時，導(dǎo)熱系數(shù)比不再增大[2]；Hong等人研究了乙二醇基磁性液體的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)比隨體積分?jǐn)?shù)呈非線性增加[3]。在醫(yī)學(xué)方面，國外對于磁感應(yīng)熱療的研究主要集中在加熱效率和磁熱介質(zhì)加熱機(jī)制等方面[4-5]，而國內(nèi)磁感應(yīng)熱療的研究主要為磁熱介質(zhì)中粒子的特性[6-7]，生物學(xué)的相關(guān)效應(yīng)[8-9]以及磁場各方面優(yōu)化[10]等。由此可見磁感應(yīng)熱療具有廣泛的應(yīng)用前景，所以本文主要分析了磁性液體的熱學(xué)特性，即其在不同條件下的升溫情況。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖1所示，主要由電磁鐵、雙刀雙擲開關(guān)、導(dǎo)線組成。為了防止外界溫度變化對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，需要先給試管外壁纏上絕熱材料，再沿試管壁緩慢倒入磁性液，將試管放在電磁鐵中間，把雙刀雙擲開關(guān)連接到電路中，電路示意圖如圖2所示。通過改變開關(guān)的連通方向進(jìn)行磁場換向，調(diào)節(jié)電磁鐵裝置電壓的大小來改變磁場強(qiáng)度，開關(guān)換向速率影響了磁場換向頻率的大小。在實(shí)驗(yàn)中依次改變磁場的大小以及換向的頻率，將溫度傳感器伸入到磁液中測量其溫度的變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖2 開關(guān)連接電路示意圖

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 特定磁場強(qiáng)度下溫度隨時間的變化

將裝有磁性液體的試管放入到電磁鐵產(chǎn)生的磁場中，用特斯拉計測得此時換向磁場為N：77mT、S：76mT，將溫度傳感器伸入到磁液中，測出每升高0.1℃所需的時間，進(jìn)而做出溫度時間關(guān)系曲線，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)磁性液體在185秒內(nèi)升高了0.8℃。

圖3 特定磁場強(qiáng)度下溫度隨時間變化曲線

2.2 不同磁場強(qiáng)度下溫度隨時間的變化

仿照上述步驟再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過三次改變磁場的大小，每升高0.1℃記一次，依次記錄升高0.8℃所需的時間，如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)磁場大小為N：77mT S：76mT時在185秒內(nèi)升了0.8℃，磁場大小為N：93mT S：82mT時升高0.8℃用了131秒，磁場大小為N：131mT S：92mT時升高與前兩次相同的溫度所需時間僅僅為80秒。由此可以看出磁場強(qiáng)度越大，升高相同溫度所需的時間越短。

圖4 不同磁場強(qiáng)度下溫度隨時間變化曲線

2.3 相同磁場強(qiáng)度下?lián)Q向頻率不同時溫度隨時間的變化

由于是測量換向頻率對于溫度升高變化的影響，因此，分別測出1s換向一次和5s換向一次的溫度變化情況，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，換向頻率越快，溫度升高速率也就越大。

圖5 特定磁場強(qiáng)度下不同換向頻率的溫度隨時間變化曲線

3 分析與討論

磁性液體產(chǎn)熱的機(jī)理主要是由于磁性顆粒的磁矢量旋轉(zhuǎn)及其本身的物理旋轉(zhuǎn)。將磁性液體置于交變磁場中，隨著時間的增加溫度也會相應(yīng)的升高。這是因?yàn)榇乓河纱罅康募{米磁性顆粒組成，比一般顆粒的表面積大，而且導(dǎo)熱性能更強(qiáng)。這些顆粒磁矩的取向會受到外界磁場的影響，當(dāng)沒有磁場作用時，磁矩呈任意取向，當(dāng)施加一定的磁場時，磁矩會產(chǎn)生兩種馳豫現(xiàn)象，即將克服磁各向異性勢壘，因熱漲落而發(fā)生的產(chǎn)熱現(xiàn)象以及發(fā)生轉(zhuǎn)動與基液分子碰撞而出現(xiàn)的產(chǎn)熱現(xiàn)象。所有這些磁性顆粒的磁矩將沿磁場方向動態(tài)自組，形成沿磁矩方向N極和S極首尾相扣的鏈狀結(jié)構(gòu)。在磁場的作用下，群體磁性顆粒構(gòu)成的“磁扣鏈”受到拉伸離心力和壓縮磁力的作用，圍繞“磁扣鏈”中心不斷壓縮、拉伸和旋轉(zhuǎn)，同時也在不斷與周圍基液摩擦生熱，使周圍的介質(zhì)升溫[11]。

單位質(zhì)量的磁液在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量稱為比吸收率（SAR），其表達(dá)式為[12]

其中H為交變磁場的強(qiáng)度，χ0為平衡磁化率，μ0為真空磁導(dǎo)率，f為交變磁場的頻率，τ為弛豫時間。從公式中可以看出當(dāng)磁場強(qiáng)度增大或者換向頻率加快時，也就是H增大或f增大時，SAR會相應(yīng)增加，即單位時間內(nèi)產(chǎn)熱量增多，產(chǎn)熱速率加快。

綜上所述，處于交變磁場中的納米顆粒磁滯損耗產(chǎn)生的熱量取決于交變磁場強(qiáng)度的大小以及換向頻率等因素。

4 相關(guān)應(yīng)用——腫瘤熱療

腫瘤熱療是磁性液體在醫(yī)學(xué)上的主要應(yīng)用之一，就是將一定量的磁性液體注射到腫瘤部位，之后施加一定頻率的交變磁場，使腫瘤組織周圍的溫度達(dá)到43℃-46℃的范圍內(nèi)，從而達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的，但是在該溫度范圍內(nèi)，不會對人體的正常細(xì)胞造成任何危害。熱療的主要作用就是將熱限制于癌癥病灶處，而不傷害其周圍的正常組織。腫瘤磁致熱療具有定位準(zhǔn)確、控溫方便、用藥劑量少、毒副作用小、治療效果好等特點(diǎn)。因此，將磁響應(yīng)材料導(dǎo)入腫瘤病灶，通過低頻交變磁場中的磁滯產(chǎn)熱原理獲得熱能，這不僅對于淺表層腫瘤的治療適用，而且對于深層腫瘤的治療也有積極的作用[13]。

5 結(jié)束語

由實(shí)驗(yàn)可以看到磁性液體在磁場中其溫度會發(fā)生變化，在磁場一定的情況下，隨時間的增加，磁性液體的溫度會升高；另外隨著磁場的增加，磁場的換向頻率與升溫速度成正比關(guān)系。磁性液體的傳熱性能隨外加磁場條件的不同而具有不同的特點(diǎn)，所以可以通過改變外加磁場的方法來控制磁性液體的溫度，據(jù)此可將磁性液體的熱學(xué)特性運(yùn)用到生活中。