智能磁性液体展示磁场的空间分布

李艳琴

(大连大学 物理科学与技术学院， 辽宁 大连 116622)



智能磁性液体展示磁场的空间分布

李艳琴

(大连大学 物理科学与技术学院， 辽宁 大连 116622)

利用磁性液体在外加磁场时出现的罗森史维格尖峰,展示了不同磁体的三维磁场分布。磁性液体展示了圆柱形磁体的磁场空间分布,比较了非磁性材料和磁性材料对圆柱形磁体磁场空间分布的影响；展示了2个错位锥形磁体、圆锥形磁体和圆锥螺旋形磁体的磁场空间分布,比较了磁场强度对圆锥螺旋形磁体尖峰的影响。

磁场； 空间分布； 磁性液体

实物和场是物质存在的两种形式,它们分别从不同方面反映了真实的客观存在[1]。场是一种看不见、摸不着的物质,如电荷周围存在电场,磁体周围存在磁场。在现代科学技术和人类生活中,处处存在磁场,如发电机、变压器、电话、收音机、核磁共振成像[2-6]等;生物体内有一些组织和器官也会产生微弱的生物磁场,鸽子回家、海龟回游等现象无不与磁场有关[7-9]。因此,有必要让学生更深入地了解磁场。通常都是使用小磁针的偏转、铁屑有规律的分布来证实磁场的存在和展示磁力线的分布,但这只能让学生看到二维的磁场空间分布。为了实现磁场空间分布的三维展示,本文使用一种新型的智能材料——磁性液体来展示不同磁铁周围的磁场空间分布。

1 磁性液体的微观结构

磁性液体是一种超顺磁性的软磁智能材料,由纳米磁性颗粒、表面活性剂、载液3部分组成[10],如图1所示。当外加磁场作用于磁性液体时,在重力、表面张力和磁力共同作用下,磁性液体沿着着磁力线方向出现罗森史维格尖峰[11-12],这些尖峰的空间分布反映了磁场的空间分布。

图1 磁性液体的微观结构

2 圆柱形磁体磁场空间分布展示

圆柱形磁体的磁场空间分布早已为人们所熟悉,可通过铁屑或模拟方法将磁力线的空间分布展示出来,但由于铁屑分布不均匀会给学生带来不必要的误解;对于模拟结果,学生没有身临其境的感觉,对磁场的空间分布理解不深入。为此， 本文使用磁性液体智能材料来展示圆柱形磁体的磁场空间分布,将磁性液体注入到与其不发生化学反应的无色透明液体中,该种液体的存在使磁性液体不会粘附在试管壁上,使磁场空间分布的展示效果更清晰。利用磁性液体演示管可展示不同形状磁体的磁场空间分布。

磁性液体展示圆柱形磁体的磁场空间分布如图2所示,由图2(a)可观察到,当磁性液体距离圆柱形磁体较近时,出现的尖峰个数较多,但每个尖峰长度较短,尖峰分布范围较宽;当圆柱形磁体远离磁性液体时,尖峰个数减少，且尖峰分布范围变窄,但每个尖峰的长度增加，如图2(b)所示。该现象是由圆柱形磁体的磁场空间分布情况决定的,离圆柱形磁体端面较近的范围,磁力线分布密集且磁场较强,迫使磁性液体沿磁场较强的地方移动,出现了数目较多的尖峰,而且磁场较强的区域尖峰较长,磁场较弱的边缘尖峰较短;随磁性液体离圆柱形磁体端面变远,磁力线分布变得稀疏,磁场强度变弱,导致尖峰个数变少且尖峰变长。学生可通过该演示管观察不同磁体、磁体位置的相对变化对尖峰状态的影响,思考内在的科学知识。

为了比较非磁性材料和磁性材料对圆柱形磁体磁场空间分布的影响,分别将木片和铁片放在磁性液体和圆柱形磁体中间,比较二者对磁场空间分布的影响,结果如图3和图4所示。图3(a)和图4(a)分别为木片和铁片对圆柱形磁体磁场空间分布的影响模拟结果，图3(b)和图4(b)为磁性液体演示的木片和铁片对圆柱形磁体磁场空间分布的实验结果。从图3(b)可观察到,木片对磁场空间分布未产生影响,磁性液体尖峰的分布状态与图2(a)一致;图4(b)显示铁片对磁性液体的尖峰状态产生了较大的影响,尖峰分布范围拓宽,且每个尖峰的大小几乎一样,这主要是由于铁片的存在改变了圆柱形磁体的磁场空间分布,铁片表面磁场强度较均匀,因此,出现了尖峰的均匀分布状态,与模拟结果是一致的。

图2 磁性液体展示的圆柱形磁体磁场空间分布

图3 木片对圆柱形磁体磁场空间分布的影响

图4 铁片对圆柱形磁体磁场空间分布的影响

3 复杂磁体磁场空间分布展示

对于一些复杂的磁体,使用铁屑演示或模拟方法将磁场空间分布展示出来比较困难,尤其是模拟对边界条件的要求,使得复杂磁体的空间分布不能被展示出来。磁性液体智能材料的出现,为复杂磁体的磁场空间分布提供了可能。图5为2个错位锥形磁体的磁场空间分布展示,磁场较强的锥头部有较多的磁性液体聚集连接在一起,形成错位美感,在锥体中部出现了面向锥头部的尖峰,且尖峰逐渐变得稀疏。磁性液体生动演示了复杂磁体的磁场空间分布,还可通过移动锥体的位置,观看不同情况下2个错位锥形磁体的磁场空间分布。

图5 2个错位锥形磁体的磁场空间分布

将铁块分别加工为圆锥形和圆锥螺旋形磁体,放入盛有磁性液体的器皿中,通过施加电流来改变磁场。圆锥螺旋形磁体是在圆锥形磁体的基础上,将外表面雕刻成有一定螺距的螺旋状态,正是由于这微小的雕刻,改变了圆锥形磁体原来的磁场空间分布。图6和图7分别为圆锥形磁体和圆锥螺旋形磁体的磁场空间分布,可看到二者的磁场空间分布完全不一样[13]。由图6可看到,磁性液体沿圆锥形磁体的外表面形成尖峰状态,靠近锥体底部的磁场较强,尖峰长而大,在锥体头部,尖峰变得细小而密度。圆锥螺旋形磁体的尖峰出现在螺距的边缘,随磁场强度的逐渐增加,尖峰沿螺距盘旋而上,在磁场较强的底部,尖峰较长,在锥体头部尖峰短小而密集。圆锥形磁体和圆锥螺旋形磁体的磁场空间分布的不同，是由于微小的雕刻改变了圆锥形磁体的磁场空间分布。图7(a)和图7(b)分别为小电流和大电流时,圆锥螺旋形磁体显示的尖峰状态，当电流较小时,圆锥螺旋形磁体周围的磁场较弱,磁

性液体尖峰短小且稀疏;随着电流增大,圆锥螺旋形磁体周围的磁场增强,尖峰变得细长而密集,显示了磁场空间分布随磁场强弱的变化情况。

图6 圆锥形磁体的磁场空间分布

图7 圆锥螺旋形磁体的磁场空间分布

4 结束语

以磁性液体展示的磁场分布,突破了传统的二维平面展示磁场分布的效果,使看不见的磁场分布、磁力线等真实动态地三维展现出来,形象直观,便于学生理解抽象概念;且磁性液体这种新奇的智能材料,使学生观察到处于磁场中的磁性液体不但具有磁性,而且能受磁场控制,留给学生很大的想象空间,有利于培养学生的创新意识和提高学生创新能力。

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Demonstrating space distribution of magnetic field using smart ferrofluid

Li Yanqin

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

The three-dimensional space distribution of magnetic field is demonstrated using ferrofluid.Rosenzweig peaks appear in the ferrofluid with applied magnetic field. The magnetic field distribution of cylindrical magnet is demonstrated by the ferrofluid and the effects of nonmagnetic material and magnetic material for magnetic field are researched. The magnetic field distribution of two malposed taper magnets,conical magnet and conical spiral magnet is demonstrated using ferrofluid and the effects of magnetic field intensities for Rosenzweig peaks are analyzed for conical spiral magnet.

magnetic field； space distribution； ferrofluid

2014- 06- 17 修改日期：2014- 08- 12

大连大学2014年度教改项目(2014-126G1);大连大学大学生创新创业训练计划项目(2013086)

李艳琴(1979—)，女，山西忻州，博士，讲师，从事物理实验教学及科教结合工作，主要研究方向为磁性液体的性能及其应用.

E-mail：liyanqin_dlu@126.com

G642.0；O441.2

B

1002-4956(2015)2- 0047- 03