磁性液体沉浮演示仪

袁青鑫,吴 鹏,李学慧

(大连大学物理科学与技术学院,辽宁大连116622)

1 引 言

2 结构与原理

磁性液体是用表面活性剂将直径为10 nm左右的单磁畴纳米颗粒包覆并高度弥散于载液中形成的一种“固—液”两相胶体溶液,根据基载液不同可分为水基[1]、油基、烃和酯类等.在磁场作用下磁性液体不仅具有液体的流动性还有固体材料的磁性,是一种新型的纳米液态功能材料[2],以其优越的独特性能在航空航天、机械、冶金、环保和生物医疗等领域得到广泛的应用[3].同时以磁性液体为基础的各种实验教学仪器应用也获得良好的效果,演示实验教学在物理教学中具有不可替代的作用[4].为了展示磁性液体的悬浮性能,研制了磁性液体沉浮演示仪[5].通过该仪器不仅能观察到数倍于磁性液体自身密度的非磁性物体从液体底部浮起,而且更能诱导学生去思考新材料的奇异性能和潜在应用.

磁性液体沉浮演示仪的结构如图1所示,整个装置主要包括3部分:磁性液体、调控电源和梯度磁场部分.

图1 磁性液体沉浮演示仪

梯度磁场是磁性液体沉浮演示仪的关键部分.电磁铁是由圆柱型铁芯和线圈组成.圆柱铁芯可支撑励磁线圈,线圈通电时产生的磁通量被耦合到铁芯中,它既是磁通量的收集器,又是阻力极小的磁通量通道.上下磁轭板与3根圆柱铁芯相连,不仅起到固定作用,而且能增强磁场强度.中间的铁芯比两侧的铁芯短35 mm,磁通量在中间和两侧的电磁线圈间形成较强磁回路.

当无外加磁场作用时,磁性液体中磁性微粒做无规则的布朗运动,总磁矩为零,纳米微粒在载液中的分布呈随机均匀状态;当有外加磁场作用时,磁性微粒向磁场梯度较大的位置移动,磁矩趋向于磁感线方向,且微粒沿磁感线方向呈球簇链状排列,导致磁性微粒有序聚集到磁场强度较大的位置[6],使磁性液体单位体积内微粒数目增加,改变了磁性液体的局部密度,起到“增重”的效果.在梯度磁场和闭合回路的条件下将非磁性物质放入盛有磁性液体的玻璃容器,通过调节励磁电流来改变磁场的大小,可以清楚看到非磁性物质在磁性液体中的悬浮现象.

3 操作与演示

磁性液体沉浮演示仪所采用的技术方案是:磁性液体沉浮演示仪,梯度磁场上放置透明玻璃容器,容器中装有油基的磁性液体和若干密度不同的非磁性物体.油基磁性液体特性参量见表1,ρ为密度,Ms为磁饱和强度,d为平均粒度.选用的玻璃容器的高度为4.00 cm,加入磁性液体的量达到玻璃容器高度的1/2为佳,磁性液体的液面高出玻璃容器中的非磁性物体约0.60 cm.非磁性物体选用铅块、黄铜、紫铜、铝块、玻璃和塑料,其物质特征参量见表2.将非磁性物体放入透明玻璃容器中,打开调控电源,缓慢调节励磁电流I,会发现非磁性物体塑料块先浮出液面,随着励磁电流的增加,玻璃、铝块和紫铜、黄铜、铅块分别先后浮出液面.

表1 油基磁性液体特性参量

表2 非磁性物质的特征参量

磁性液体沉浮演示仪在不同电流情况下产生大小不同的磁场强度,采用有限单元法[7]模拟了电流在4.76 A时两侧和中间电磁线圈的磁感线分布,如图2所示.根据非磁性物体浮出液面的情况,可定性地观察到磁性液体的悬浮性能,得到非磁性物体浮出液面的情况与电流之间的关系曲线,如图3所示.

从图3可得不同密度的非磁性物体浮出液面时所需的电流.随电流的增强,非磁性物体浮出液面的高度随磁场的增强而逐渐增大,如何定量测量这种变化关系是下一步要深入研究的工作.

图2 磁感线分布模拟图

图3 非磁性物体浮出液面的情况与磁场间的关系

4 结束语

磁性液体沉浮演示仪是基于磁性液体悬浮性能的一种新型实验演示仪器,本仪器具有结构简单、容易操作、现象明显等优点,让学生了解到在磁场中磁性液体具有分选不同密度物质的能力,已在工业选矿、分离技术得到普遍应用;在实验教学中可以激发学生对新材料的浓厚兴趣,有利于培养学生的创新思维能力[8];对实验研究及磁性液体的开发利用均有意义.

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