李艷琴

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

磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響

李艷琴

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

摘要：研究了3種磁性液體的磁表面張力系數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律. 結(jié)果表明：隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大，且磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，其磁表面張力系數(shù)越大. 當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，各磁偶極子的磁矩方向轉(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，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加. 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體液膜拉脫過(guò)程中電壓最大值從80.3 mV增加到了87.0 mV，主要是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)使液膜中納米磁性顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，使片狀吊環(huán)受到的拉力增大.

關(guān)鍵詞：磁性液體；磁表面張力系數(shù)；磁場(chǎng)強(qiáng)度

1引言

磁性液體是一種具有超順磁性的液體智能材料，它由納米磁性顆粒、表面活性劑和載液3部分組成，納米磁性顆粒依靠表面活性劑分子層的排斥力穩(wěn)定存在于載液中[1]. 無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，納米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，如磁性液體各處密度不同，利用密度梯度可進(jìn)行礦物分離[2]；磁場(chǎng)會(huì)對(duì)磁性液體界面產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響，出現(xiàn)磁性液體尖峰狀態(tài)[3]；磁性液體中的納米磁性顆粒會(huì)沿磁場(chǎng)方向進(jìn)行排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)[4]，這些鏈狀結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)磁性液體的表面張力產(chǎn)生較大的影響[5]，因此，將有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁性液體的表面張力定義為磁表面張力. 陳達(dá)暢等人的研究結(jié)果顯示[6]，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)致其磁表面張力明顯增加.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科學(xué)生的必修課程，“拉脫法測(cè)量液體的表面張力系數(shù)”是該門(mén)課程的一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，一般僅測(cè)量自來(lái)水的表面張力系數(shù)，內(nèi)容簡(jiǎn)單，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不飽滿(mǎn)，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及引深環(huán)節(jié)，提不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因此，有必要在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,艾志偉等人[7]也提出將PBL教學(xué)模式應(yīng)用到拉脫法測(cè)量液體的表面張力系數(shù)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，可促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)；趙西梅等人[8]將時(shí)差法引入聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，利用Origin軟件測(cè)量復(fù)合介質(zhì)中超聲波的傳播速度，通過(guò)增設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生自己去思考和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力. 因此，本文將性能特殊的磁性液體引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增加了磁場(chǎng)裝置，讓學(xué)生充分了解磁性液體表面張力的特殊性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.

2實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本文使用拉脫法測(cè)試了磁性液體的磁表面張力系數(shù)，測(cè)試裝置如圖1所示，以空心電磁鐵的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖1所示的坐標(biāo)系. 將培養(yǎng)皿放入空心螺線管的中心位置，倒入約1.0 cm高磁性液體，保證拉脫過(guò)程中磁性液體和片狀吊環(huán)處于均勻磁場(chǎng)中，所施加的磁場(chǎng)方向豎直向上，該磁場(chǎng)方向平行于切線方向的磁性液膜，研究均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力的影響. 詳細(xì)實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)文獻(xiàn)[9]，根據(jù)下式即可計(jì)算磁性液體的表面張力系數(shù)為

式中，σ為磁性液體的表面張力系數(shù)，U1和U2分別為液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值，B為力敏傳感器靈敏度，D1和D2為片狀吊環(huán)的內(nèi)外徑.

1.空心螺線管　2.載物臺(tái)　3.磁性液體　4.培養(yǎng)皿　5.非磁性片狀吊環(huán)　6.磁屏蔽網(wǎng)　7.力敏傳感器8.升降裝置　9.立柱和標(biāo)尺圖1　磁性液體磁表面張力測(cè)試儀

實(shí)驗(yàn)中所使用的3種磁性液體為采用大氣壓介質(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，表面活性劑為聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺. 按質(zhì)量比配制載液和表面活性劑混合液，超聲處理15 min，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. 制備3種磁性液體時(shí)，除載液質(zhì)量不相同外，其他制備參量均相同，F(xiàn)P-1，F(xiàn)P-2和FP-3磁性液體的載液質(zhì)量比為9∶10∶11，所制備3種ε-Fe3N磁性液體中納米磁性顆粒的直徑為9~15 nm，飽和磁化強(qiáng)度分別為67.18，56.17，50.11 mT.

3外加磁場(chǎng)對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響

對(duì)力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，使用Origin軟件對(duì)直線進(jìn)行擬合，可得力敏傳感器靈敏度[9]B=7.727 V/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)電磁線圈軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖2所示，在[-5.0 cm,5.0 cm]范圍內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，隨電流增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng).

圖2　不同電流時(shí)線圈軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

室溫(20±0.5)℃時(shí)，分別測(cè)量了FP-1，F(xiàn)P-2和FP-3磁性液體不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁性液體液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值U1和U2，根據(jù)式(1)即可計(jì)算3種磁性液體不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的磁表面張力系數(shù). 以磁場(chǎng)強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，磁表面張力系數(shù)為縱坐標(biāo)，使用Origin軟件繪圖，可研究磁場(chǎng)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3所示.

圖3　3種磁性液體磁表面張力系數(shù)隨磁場(chǎng)　強(qiáng)度變化曲線

由圖3可知，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大，且FP-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另外2種小，它的飽和磁化強(qiáng)度最強(qiáng)造成. 磁性液體中納米磁性顆粒的直徑為9~15 nm，粒徑小于單疇臨界尺寸，納米磁性顆粒呈單磁疇結(jié)構(gòu)，因此納米磁性顆?？梢暈榇排紭O子，磁偶極子的磁矩方向在由磁晶各向異性決定的易磁化方向上，各磁偶極子的易磁化方向不同，磁矩方向也不同，因此，無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，各磁偶極子的磁矩方向雜亂無(wú)章、互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性，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)，各磁偶極子的磁矩方向轉(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)了磁偶極子之間的相互作用，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加[10]，且外加磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大.

為分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的具體影響，以FP-2磁性液體為例測(cè)量了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)液膜拉脫過(guò)程的電壓變化曲線，如圖4所示. 根據(jù)受力情況將磁性液體液膜拉脫過(guò)程的電壓變化曲線分為6個(gè)階段[9]，即AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G階段，不同階段片狀吊環(huán)的受力情況在文獻(xiàn)[9]中已詳細(xì)敘述，這里僅研究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體液膜拉脫過(guò)程的影響. 由圖4可知，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，電壓最大值從80.3 mV增加到87.0 mV，主要是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)使液膜的表觀重力增加，液膜中納米磁性顆粒之間的相互作用也增強(qiáng)，使片狀吊環(huán)受到的拉力增大. 無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，液膜破裂僅需1 s；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為43.48 kA/m時(shí)，由于磁場(chǎng)增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，液膜需3.5 s才能破裂. 比較無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)時(shí)磁性液體液膜的電壓隨時(shí)間變化曲線發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，F(xiàn)G階段未出現(xiàn)液膜破裂的中間過(guò)程，液膜瞬間破裂；有外加磁場(chǎng)作用于磁性液體時(shí)，F(xiàn)G階段出現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，液膜破裂的時(shí)間大于無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的時(shí)間，主要是由于外加磁場(chǎng)增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，分子和分子之間的磁吸引力增強(qiáng)，導(dǎo)致液膜逐步破裂.

(a)17.96 kA/m

(b)28.86 kA/m

(c)35.70 kA/m

(d)43.48 kA/m圖4　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)FP-2磁性液體拉脫過(guò)程電壓　隨時(shí)間變化曲線

4結(jié)論

使用拉脫法測(cè)量了3種磁性液體的磁表面張力系數(shù)，研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響. 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)增大， 且FP-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另外2種小，飽和磁化強(qiáng)度最強(qiáng)造成. 這主要是由于無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，各磁偶極子的磁矩方向雜亂無(wú)章、互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性，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)，各磁偶極子的磁矩方向轉(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)了磁偶極子之間的相互作用，導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力系數(shù)增加，且外加磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁性液體的磁表面張力系數(shù)越大. 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁性液體液膜拉脫過(guò)程中電壓最大值從80.3 mV增加到87.0 mV，主要是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)使液膜的表觀重力增加，液膜中納米磁性顆粒之間的相互作用也增強(qiáng)，使片狀吊環(huán)受到的拉力增大. 無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，液膜破裂僅需1 s；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為43.48 kA/m時(shí)，由于磁場(chǎng)增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，液膜需3.5 s才能破裂. 外加磁場(chǎng)增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，使分子和分子之間的磁吸引力增強(qiáng)，液膜逐步破裂，磁性液體的磁表面張力系數(shù)逐漸增加.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

Effects of magnetic field on magnetic surface tension coefficient of ferrofluid

LI Yan-qin

(College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

Abstract:The dependence of magnetic surface tension coefficient on magnetic field intensity was studied for three kinds of ferrofluid. With the increase of magnetic field intensity, the magnetic surface tension coefficient increased gradually. The magnetic surface tension coefficient became larger for stronger saturation magnetization of ferrofluid. When exposed to magnetic field, the torques of magnetic dipoles align along the external magnetic field and the ferroparticles form chain-like structure along the external magnetic field, leading to increased magnetic surface tension coefficient. The maximum voltage increased from 80.3 mV to 87.0 mV in the pull-apart process of liquid film with strengthening magnetic field intensity, largely because of the enhanced interaction between ferroparticles under stronger magnetic field which leaded to the increase of pulling force.

Key words:ferrofluid; magnetic surface tension coefficient; magnetic field intensity

中圖分類(lèi)號(hào)：O493.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)05-0030-04

作者簡(jiǎn)介：李艷琴(1979-)，女，山西忻州人，大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，博士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科教結(jié)合工作.

收稿日期：2014-11-11；修改日期：2015-03-10

資助項(xiàng)目：大連大學(xué)2014年度教改項(xiàng)目(No.2014-126G1)