均勻磁場(chǎng)中磁性液體的磁表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

李艷琴（大連大學(xué)，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，大連遼寧 116622）

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均勻磁場(chǎng)中磁性液體的磁表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

李艷琴
（大連大學(xué)，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，大連遼寧 116622）

摘 要基于特殊性能的磁性液體增設(shè)了綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目式教學(xué)法初步實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)模式．本文設(shè)計(jì)了磁性液體磁表面張力系數(shù)智能測(cè)試儀，研究了均勻磁場(chǎng)中4種不同類型磁性液體的磁表面張力系數(shù)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律．隨外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大，主要是磁場(chǎng)增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用力．磁感應(yīng)強(qiáng)度相同時(shí)，載液質(zhì)量對(duì)磁性液體的磁表面張力系數(shù)影響較大，載液質(zhì)量越小，單位體積內(nèi)融入的磁性顆粒數(shù)量越多，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大．表面活性劑種類對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響也較大，由于油酸對(duì)磁性顆粒的吸附作用比PBSI－941表面活性劑強(qiáng)，油酸官能團(tuán)較早吸附在磁性顆粒表面，限制了磁性顆粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，導(dǎo)致MFO－4磁性液體磁表面張力系數(shù)較小．

關(guān)鍵詞均勻磁場(chǎng)；磁性液體；磁表面張力系數(shù)

磁性液體是依靠表面活性劑的空間排斥力將納米級(jí)的磁性顆粒分散在載液中形成的智能材料，磁性顆粒、載液及表面活性劑三者共同決定了磁性液體的性能［1］．磁性液體具有特殊的磁性能，是一種超順磁性材料，無外加磁場(chǎng)作用時(shí)，各磁性顆粒的磁矩方向雜亂無章，磁矩互相抵消，磁性顆粒均勻分布在載液中，磁性液體不顯示宏觀磁性；當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，大量納米磁性顆粒向磁場(chǎng)強(qiáng)的方向移動(dòng)，導(dǎo)致磁性液體的各項(xiàng)性能發(fā)生較大變化［2，3］．

外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，分散在載液中的磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)［4］，當(dāng)光通過磁性液體時(shí)，其折射率和透射率會(huì)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化而改變［5－7］；磁性顆粒的鏈狀結(jié)構(gòu)還會(huì)對(duì)磁性液體的表面張力系數(shù)產(chǎn)生較大影響．陳達(dá)暢等人的研究結(jié)果顯示［8］，外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，納米磁性顆粒的規(guī)則排列使磁性液體形成了致密的鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其表面張力明顯增加．正是由于磁性液體的此種特殊性能，將磁性液體引入物理實(shí)驗(yàn)中，以項(xiàng)目式教學(xué)法為手段，改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段，讓學(xué)生主動(dòng)去實(shí)施和探索未知的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題［9］．通過開設(shè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使理論與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)積極主動(dòng)探索新知識(shí)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)模式，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)際動(dòng)手能力［10］．因此，本文將磁性液體引入拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，將基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為中心，以實(shí)際項(xiàng)目為載體，讓學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全過程．

1 磁性液體磁表面張力測(cè)試原理

本文設(shè)計(jì)了磁性液體磁表面張力系數(shù)智能測(cè)試儀，如圖1所示．培養(yǎng)皿放置于空心螺線管的中心部位，將懸掛在力敏傳感器上的片狀吊環(huán)浸入磁性液體中，施加電流改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，使用拉脫法測(cè)量均勻磁場(chǎng)中不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁性液體的磁表面張力系數(shù)．使用磁屏蔽網(wǎng)避免磁場(chǎng)對(duì)力敏傳感器產(chǎn)生影響，倒入大約1．0cm高磁性液體，保證拉脫過程中磁性液體和片狀吊環(huán)處于均勻垂直磁場(chǎng)中，所施加的磁場(chǎng)方向豎直向上，垂直于磁性液體表面，研究均勻磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力的影響．通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電壓值的變化，提高了測(cè)量的精度．

圖1　磁性液體磁表面張力系數(shù)智能測(cè)試儀

拉脫法是測(cè)量液體表面張力系數(shù)最常用的方法，其詳細(xì)實(shí)驗(yàn)原理及受力分析見文獻(xiàn)［9］［11］，拉脫過程中片狀吊環(huán)的受力平衡方程為

式中，F(xiàn)為片狀吊環(huán)所受拉力；m為片狀吊環(huán)的質(zhì)量；m膜為液膜的質(zhì)量；f1和f2為片狀吊環(huán)內(nèi)外表面液體的表面張力；θ為表面張力與豎直方向的夾角；g為重力加速度．

液膜破裂前瞬間表面張力f1和f2完全豎直向下，此時(shí)液膜很薄，其重力m膜g可忽略不計(jì)．液膜破裂前后瞬間，片狀吊環(huán)的受力平衡方程分別為

根據(jù)表面張力的定義式可得

力敏傳感器所受拉力可表示為

聯(lián)立式（2）～（6）可得

式中，F(xiàn)1和F2分別為液膜破裂前后瞬間片狀吊環(huán)所受的拉力；D1和D2為片狀吊環(huán)內(nèi)外徑；U1和U2為液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值；σ為磁性液體的磁表面張力系數(shù)．

4種磁性液體為大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體制備的ε－Fe3N磁性液體，所使用的載液為7＃白油，MFP－1、MFP－2和MFP－3這3種磁性液體的表面活性劑為PBSI－941（聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺），MFO－4磁性液體的表面活性劑為油酸．按質(zhì)量比配制載液和表面活性劑混合液，超聲處理15min，使二者充分混合，注入儲(chǔ)存室；通Ar置換反應(yīng)腔內(nèi)空氣，使用交變高頻脈沖電壓對(duì)NH3和Ar放電產(chǎn)生氮的活性粒子，和Fe（CO）5分解生成的鐵粒子重新組合，控制好反應(yīng)溫度和時(shí)間，合成ε－Fe3N磁性液體．MFP－1、MFP－2和MFP－3這3種磁性液體，除載液質(zhì)量不相同外，其他制備參數(shù)均相同，它們的載液質(zhì)量比為9∶10∶11；MFO－4磁性液體與MFP－1磁性液體除表面活性劑為油酸外，其他制備參數(shù)相同，用以研究表面活性劑對(duì)磁表面張力系數(shù)的影響．

2 均勻磁場(chǎng)中磁性液體磁表面張力系數(shù)研究

對(duì)力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)逐差法可得力敏傳感器靈敏度B＝7．727V／N．使用95A型集成霍爾元件特斯拉計(jì)測(cè)量了不同電流時(shí)空心螺線管軸線上均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，分別為0、11、22、33、43、53mT，研究不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁性液體磁表面張力系數(shù)的變化規(guī)律．表2為不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，4種磁性液體液膜破裂前后電壓值的變化情況及磁性液體的磁表面張力系數(shù)，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，液膜破裂前瞬間的電壓值U1逐漸增加，且4種磁性液體的變化情況不完全相同．以磁感應(yīng)強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，磁表面張力系數(shù)為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖，研究磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響規(guī)律，如圖2所示．

表1　力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)

表2　4種磁性液體的磁表面張力系數(shù)

據(jù)學(xué)者研究1L磁性液體中分散了1018的磁性顆粒［12］，因此磁性液體的表面張力是一種特殊意義的表面張力，它不僅包含液體分子之間的力，還包括了磁性顆粒之間的相互作用力．由圖2可知，無外加磁場(chǎng)作用時(shí)，4種磁性液體的磁表面張力系數(shù)較小，一方面是由于表面活性劑的加入大大降低了載液的表面張力系數(shù)；另一方面是由于無外加磁場(chǎng)作用時(shí)，各磁性顆粒的磁矩方向雜亂無章、互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性，磁性顆粒之間的相互作用力較弱，不會(huì)形成較長(zhǎng)的類鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致無外加磁場(chǎng)作用時(shí)磁性液體的表面張力系數(shù)較小．當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，4種磁性液體的磁表面張力系數(shù)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)逐漸增大，是由于各磁性顆粒的磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)方向，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁矩方向?qū)⑵叫杏谕饧哟艌?chǎng)方向，使得磁性顆粒之間的相互作用力大大增強(qiáng)，大量的磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向緊密排列成類鏈狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)磁鏈，且磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁鏈越長(zhǎng)，磁鏈之間的相互作用力越強(qiáng)，這些長(zhǎng)磁鏈導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加，且外加磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大．

圖2　4種磁性液體磁表面張力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

由圖2還可發(fā)現(xiàn)，MFP－1、MFP－2和MFP－3 這3種磁性液體中，外加磁感應(yīng)強(qiáng)度相同時(shí)，MFP－1磁性液體的磁表面張力系數(shù)最大，主要是由于該磁性液體載液用量較MFP－2和MFP－3磁性液體少，單位體積內(nèi)融入的磁性顆粒數(shù)量最多，MFP－1磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到了67．2mT，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)磁性顆粒之間的磁吸引力最強(qiáng)，磁性顆粒形成的鏈狀結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，導(dǎo)致其磁表面張力系數(shù)也最大；MFP－2和MFP－3磁性液體由于載液用量較多，單位體積內(nèi)融入的磁性顆粒較少，它們的飽和磁化強(qiáng)度分別為56．2mT和50．1mT，二者的磁表面張力系數(shù)也較小．MFO－4磁性液體的表面活性劑為油酸，由透射電子顯微鏡分析可知，該磁性液體中顆粒的直徑僅為8nm，而MFP類磁性液體顆粒直徑達(dá)到了10nm，主要是由于油酸對(duì)磁性顆粒的吸附作用強(qiáng)于聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺，官能團(tuán)較早吸附在磁性顆粒表面，限制了磁性顆粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，生成的磁性顆粒磁性能較弱，導(dǎo)致其飽和磁化強(qiáng)度僅為43．9mT，磁性顆粒形成的鏈狀結(jié)構(gòu)相互作用力較弱，使得MFO－4磁性液體的磁表面張力系數(shù)比相同參數(shù)制備的MFP類磁性液體的小很多．

3 結(jié)語

本文將性能特殊的磁性液體引入了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，根據(jù)“項(xiàng)目式教學(xué)法”設(shè)計(jì)了磁性液體磁表面張力系數(shù)智能測(cè)試儀，研究了均勻磁場(chǎng)中4種不同類型磁性液體的磁表面張力系數(shù)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容新穎，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)去實(shí)施和探索未知的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣．研究發(fā)現(xiàn)，無外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁性顆粒之間的相互作用力較弱，4種磁性液體的磁表面張力系數(shù)較小．當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，4種磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大，主要是由于磁性顆粒之間的相互作用力大大增強(qiáng)，各磁性顆粒的磁矩方向轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)方向，形成了沿磁場(chǎng)方向排列的長(zhǎng)磁鏈，外加磁場(chǎng)增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加，且外加磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大．磁感應(yīng)強(qiáng)度相同時(shí)，載液質(zhì)量大小也影響了磁性液體的磁表面張力系數(shù)，載液質(zhì)量越小，單位體積內(nèi)融入的磁性顆粒數(shù)量越多，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大．表面活性劑種類對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響也較大，MFO－4磁性液體由于油酸對(duì)磁性顆粒的吸附作用強(qiáng)于聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺，官能團(tuán)較早吸附在磁性顆粒表面，限制了磁性顆粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，導(dǎo)致MFO－4磁性液體磁表面張力系數(shù)也較小．

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THE RESEARCH OF FERROFLUID’S MAGNETIC SURFACE TENSION COEFFICIENT IN THE EXTERNAL UNIFORM MAGNETIC FIELD

Li Yanqin
（College of Physical Science and Technology，Dalian University，Dalian，Liaoning 116622）

AbstractThe comprehensive and designing experimental project was added to physics experiment teaching based on a kind of special ferrofluid．A self－training teaching mode for students was realized based on the project teaching method．The intelligent apparatus of measuring ferrofluid’s magnetic surface tension coefficient was developed in the paper，and the dependence of magnetic surface tension coefficient on magnetic induction was studied for four kinds of ferrofluids．With strengthening the magnetic induction，the magnetic surface tension coefficient increases gradually due primarily to increase interaction force between magnetic particles．The magnetic surface tension coefficient is affected by the mass of carrier liquid．The smaller the mass of carrier liquid is，the larger magnetic surface tension coefficient becomes．It is mainly because of a larger number of magnetic particles blended into carrier liquid in the unit volume．The magnetic surface tension coefficient is also affected by the species of surfactant．Because the oleic acid has a stronger absorption to the magnetic particles than PBSI－941surfactant，the magnetic particle surface is forced to absorb the functional group of oleic acid early and the growth of magnetic particles is restricted，which leads to the decrease of magnetic surface tension coefficient．

Key wordsuniform magnetic field；ferrofluid；magnetic surface tension coefficient

作者簡(jiǎn)介：李艷琴，女，講師，主要從事物理理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)科研工作，研究方向?yàn)榇判砸后w的制備、性能及應(yīng)用．liyanqin＿dlu＠126．com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51077006）；大連大學(xué)2014年度教改項(xiàng)目（2013－126G1）；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃面上項(xiàng)目（2015020585）；大連大學(xué)博士后啟動(dòng)項(xiàng)目（20151QL023）．

收稿日期：2015－05－23