磁性液體沉浮演示儀

袁青鑫,吳 鵬,李學慧

(大連大學物理科學與技術學院,遼寧大連116622)

1 引 言

2 結構與原理

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,根據基載液不同可分為水基[1]、油基、烴和酯類等.在磁場作用下磁性液體不僅具有液體的流動性還有固體材料的磁性,是一種新型的納米液態功能材料[2],以其優越的獨特性能在航空航天、機械、冶金、環保和生物醫療等領域得到廣泛的應用[3].同時以磁性液體為基礎的各種實驗教學儀器應用也獲得良好的效果,演示實驗教學在物理教學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].通過該儀器不僅能觀察到數倍于磁性液體自身密度的非磁性物體從液體底部浮起,而且更能誘導學生去思考新材料的奇異性能和潛在應用.

磁性液體沉浮演示儀的結構如圖1所示,整個裝置主要包括3部分:磁性液體、調控電源和梯度磁場部分.

圖1 磁性液體沉浮演示儀

梯度磁場是磁性液體沉浮演示儀的關鍵部分.電磁鐵是由圓柱型鐵芯和線圈組成.圓柱鐵芯可支撐勵磁線圈,線圈通電時產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,而且能增強磁場強度.中間的鐵芯比兩側的鐵芯短35 mm,磁通量在中間和兩側的電磁線圈間形成較強磁回路.

當無外加磁場作用時,磁性液體中磁性微粒做無規則的布朗運動,總磁矩為零,納米微粒在載液中的分布呈隨機均勻狀態;當有外加磁場作用時,磁性微粒向磁場梯度較大的位置移動,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,導致磁性微粒有序聚集到磁場強度較大的位置[6],使磁性液體單位體積內微粒數目增加,改變了磁性液體的局部密度,起到“增重”的效果.在梯度磁場和閉合回路的條件下將非磁性物質放入盛有磁性液體的玻璃容器,通過調節勵磁電流來改變磁場的大小,可以清楚看到非磁性物質在磁性液體中的懸浮現象.

3 操作與演示

磁性液體沉浮演示儀所采用的技術方案是:磁性液體沉浮演示儀,梯度磁場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表1,ρ為密度,Ms為磁飽和強度,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,其物質特征參量見表2.將非磁性物體放入透明玻璃容器中,打開調控電源,緩慢調節勵磁電流I,會發現非磁性物體塑料塊先浮出液面,隨著勵磁電流的增加,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 非磁性物質的特征參量

磁性液體沉浮演示儀在不同電流情況下產生大小不同的磁場強度,采用有限單元法[7]模擬了電流在4.76 A時兩側和中間電磁線圈的磁感線分布,如圖2所示.根據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所需的電流.隨電流的增強,非磁性物體浮出液面的高度隨磁場的增強而逐漸增大,如何定量測量這種變化關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間的關系

4 結束語

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驗演示儀器,本儀器具有結構簡單、容易操作、現象明顯等優點,讓學生了解到在磁場中磁性液體具有分選不同密度物質的能力,已在工業選礦、分離技術得到普遍應用;在實驗教學中可以激發學生對新材料的濃厚興趣,有利于培養學生的創新思維能力[8];對實驗研究及磁性液體的開發利用均有意義.

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