磁场强度对磁性液体磁表面张力系数的影响

李艳琴

(大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622)

磁场强度对磁性液体磁表面张力系数的影响

李艳琴

(大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622)

摘要：研究了3种磁性液体的磁表面张力系数随磁场强度的变化规律. 结果表明：随磁场强度增强，磁性液体的磁表面张力系数增大，且磁性液体的饱和磁化强度越强，其磁表面张力系数越大. 当外加磁场作用于磁性液体时，各磁偶极子的磁矩方向转向外加磁场方向，形成了沿磁场方向排列的长磁链，导致磁性液体的磁表面张力系数增加. 随磁场强度增强，磁性液体液膜拉脱过程中电压最大值从80.3 mV增加到了87.0 mV，主要是由于磁场强度的增强使液膜中纳米磁性颗粒之间的相互作用增强，使片状吊环受到的拉力增大.

关键词：磁性液体；磁表面张力系数；磁场强度

1引言

磁性液体是一种具有超顺磁性的液体智能材料，它由纳米磁性颗粒、表面活性剂和载液3部分组成，纳米磁性颗粒依靠表面活性剂分子层的排斥力稳定存在于载液中[1]. 无外加磁场作用时，纳米磁性颗粒均匀分布在载液中，磁性液体不显示宏观磁性. 当外加磁场作用于磁性液体时，大量纳米磁性颗粒向磁场强的方向移动，导致磁性液体的各项性能发生较大变化，如磁性液体各处密度不同，利用密度梯度可进行矿物分离[2]；磁场会对磁性液体界面产生不稳定的影响，出现磁性液体尖峰状态[3]；磁性液体中的纳米磁性颗粒会沿磁场方向进行排列，形成链状结构[4]，这些链状结构会对磁性液体的表面张力产生较大的影响[5]，因此，将有外加磁场作用时，磁性液体的表面张力定义为磁表面张力. 陈达畅等人的研究结果显示[6]，外加磁场作用于磁性液体时，纳米磁性颗粒的规则排列使磁性液体形成了致密的链状结构，导致其磁表面张力明显增加.

大学物理实验是理工科学生的必修课程，“拉脱法测量液体的表面张力系数”是该门课程的一个传统实验，一般仅测量自来水的表面张力系数，内容简单，导致实验内容不饱满，没有实验的设计及引深环节，提不起学生的学习兴趣，因此，有必要在传统实验的基础上增设一些设计性实验内容,艾志伟等人[7]也提出将PBL教学模式应用到拉脱法测量液体的表面张力系数，以问题为导向，可促进学生的主动学习和合作学习；赵西梅等人[8]将时差法引入声速测量实验，利用Origin软件测量复合介质中超声波的传播速度，通过增设的实验内容，让学生自己去思考和设计实验路线，有利于培养学生的创新能力. 因此，本文将性能特殊的磁性液体引入实验教学中，增加了磁场装置，让学生充分了解磁性液体表面张力的特殊性，激发学生学习的兴趣.

2实验装置及原理

本文使用拉脱法测试了磁性液体的磁表面张力系数，测试装置如图1所示，以空心电磁铁的中心为坐标原点，建立如图1所示的坐标系. 将培养皿放入空心螺线管的中心位置，倒入约1.0 cm高磁性液体，保证拉脱过程中磁性液体和片状吊环处于均匀磁场中，所施加的磁场方向竖直向上，该磁场方向平行于切线方向的磁性液膜，研究均匀磁场强度对磁性液体磁表面张力的影响. 详细实验原理见文献[9]，根据下式即可计算磁性液体的表面张力系数为

式中，σ为磁性液体的表面张力系数，U1和U2分别为液膜破裂前后瞬间力敏传感器输出的电压值，B为力敏传感器灵敏度，D1和D2为片状吊环的内外径.

1.空心螺线管　2.载物台　3.磁性液体　4.培养皿　5.非磁性片状吊环　6.磁屏蔽网　7.力敏传感器8.升降装置　9.立柱和标尺图1　磁性液体磁表面张力测试仪

实验中所使用的3种磁性液体为采用大气压介质阻挡放电等离子体制备的ε-Fe3N磁性液体，所使用的载液为7#白油，表面活性剂为聚丁烯基丁二酰亚胺四乙烯五胺. 按质量比配制载液和表面活性剂混合液，超声处理15 min，使二者充分混合，注入储存室；通Ar置换反应腔内空气，使用交变高频脉冲电压对NH3和Ar放电产生氮的活性粒子，和Fe(CO)5分解生成的铁粒子重新组合，控制好反应温度和时间，合成ε-Fe3N磁性液体. 制备3种磁性液体时，除载液质量不相同外，其他制备参量均相同，FP-1，FP-2和FP-3磁性液体的载液质量比为9∶10∶11，所制备3种ε-Fe3N磁性液体中纳米磁性颗粒的直径为9~15 nm，饱和磁化强度分别为67.18，56.17，50.11 mT.

3外加磁场对磁性液体磁表面张力系数的影响

对力敏传感器进行定标，使用Origin软件对直线进行拟合，可得力敏传感器灵敏度[9]B=7.727 V/N. 使用95A型集成霍尔元件特斯拉计测量了不同电流时电磁线圈轴线上的磁场强度，如图2所示，在[-5.0 cm,5.0 cm]范围内，磁场强度是均匀的，随电流增加，磁场强度逐渐增强.

图2　不同电流时线圈轴线上的磁场强度分布图

室温(20±0.5)℃时，分别测量了FP-1，FP-2和FP-3磁性液体不同磁场强度时，磁性液体液膜破裂前后瞬间力敏传感器输出的电压值U1和U2，根据式(1)即可计算3种磁性液体不同磁场强度时的磁表面张力系数. 以磁场强度为横坐标，磁表面张力系数为纵坐标，使用Origin软件绘图，可研究磁场强度对磁性液体磁表面张力系数的影响规律，如图3所示.

图3　3种磁性液体磁表面张力系数随磁场　强度变化曲线

由图3可知，随磁场强度增强，磁性液体的磁表面张力系数增大，且FP-1磁性液体的磁表面张力系数最大，主要是由于该磁性液体载液用量较另外2种小，它的饱和磁化强度最强造成. 磁性液体中纳米磁性颗粒的直径为9~15 nm，粒径小于单畴临界尺寸，纳米磁性颗粒呈单磁畴结构，因此纳米磁性颗粒可视为磁偶极子，磁偶极子的磁矩方向在由磁晶各向异性决定的易磁化方向上，各磁偶极子的易磁化方向不同，磁矩方向也不同，因此，无外加磁场作用时，各磁偶极子的磁矩方向杂乱无章、互相抵消，磁性液体不显示宏观磁性，磁性液体的磁表面张力系数较小. 当外加磁场作用于磁性液体时，各磁偶极子的磁矩方向转向外加磁场方向，形成了沿磁场方向排列的长磁链，外加磁场增强了磁偶极子之间的相互作用，导致磁性液体的磁表面张力系数增加[10]，且外加磁场强度越强，磁性液体的磁表面张力系数越大.

为分析磁场强度对磁性液体磁表面张力系数的具体影响，以FP-2磁性液体为例测量了不同磁场强度时液膜拉脱过程的电压变化曲线，如图4所示. 根据受力情况将磁性液体液膜拉脱过程的电压变化曲线分为6个阶段[9]，即AB，BC，CD，DE，EF，FG阶段，不同阶段片状吊环的受力情况在文献[9]中已详细叙述，这里仅研究磁场强度对磁性液体液膜拉脱过程的影响. 由图4可知，随磁场强度增强，电压最大值从80.3 mV增加到87.0 mV，主要是由于磁场强度增强使液膜的表观重力增加，液膜中纳米磁性颗粒之间的相互作用也增强，使片状吊环受到的拉力增大. 无外加磁场作用时，液膜破裂仅需1 s；当磁场强度为43.48 kA/m时，由于磁场增强了磁性颗粒之间的相互作用，液膜需3.5 s才能破裂. 比较无磁场和有磁场时磁性液体液膜的电压随时间变化曲线发现，无磁场作用时，FG阶段未出现液膜破裂的中间过程，液膜瞬间破裂；有外加磁场作用于磁性液体时，FG阶段出现了一些数据点，液膜破裂的时间大于无磁场作用时的时间，主要是由于外加磁场增强了磁偶极子之间的相互作用，分子和分子之间的磁吸引力增强，导致液膜逐步破裂.

(a)17.96 kA/m

(b)28.86 kA/m

(c)35.70 kA/m

(d)43.48 kA/m图4　不同磁场强度时FP-2磁性液体拉脱过程电压　随时间变化曲线

4结论

使用拉脱法测量了3种磁性液体的磁表面张力系数，研究了磁场强度对磁性液体磁表面张力系数的影响. 随磁场强度增强，磁性液体的磁表面张力系数增大， 且FP-1磁性液体的磁表面张力系数最大，主要是由于该磁性液体载液用量较另外2种小，饱和磁化强度最强造成. 这主要是由于无外加磁场作用时，各磁偶极子的磁矩方向杂乱无章、互相抵消，磁性液体不显示宏观磁性，磁性液体的表面张力系数较小. 当外加磁场作用于磁性液体时，各磁偶极子的磁矩方向转向外加磁场方向，形成了沿磁场方向排列的长磁链，外加磁场增强了磁偶极子之间的相互作用，导致磁性液体的磁表面张力系数增加，且外加磁场强度越强，磁性液体的磁表面张力系数越大. 随磁场强度增强，磁性液体液膜拉脱过程中电压最大值从80.3 mV增加到87.0 mV，主要是由于磁场强度的增强使液膜的表观重力增加，液膜中纳米磁性颗粒之间的相互作用也增强，使片状吊环受到的拉力增大. 无外加磁场作用时，液膜破裂仅需1 s；当磁场强度为43.48 kA/m时，由于磁场增强了磁性颗粒之间的相互作用，液膜需3.5 s才能破裂. 外加磁场增强了磁偶极子之间的相互作用，使分子和分子之间的磁吸引力增强，液膜逐步破裂，磁性液体的磁表面张力系数逐渐增加.

参考文献：

[1]黄巍，王晓雷. 磁性液体的制备及其在工业中的应用[J]. 润滑与密封,2008,33(10): 91-94.

[2]张彦平,高福祥,郑龙熙. 离心式磁流体分选机的研制[J]. 金属矿山,1991(7):34-38.

[3]Kats E I. Rosensweig instability in ferrofluids [J]. Low Temperature Physics, 2011,37(10):812-814.

[4]Li Yanqin, Li Xuehui. Influence of perpendicular magnetic field on apparent density and microstructure of magnetic fluid [J]. Chinese Physics Letters, 2012,29(10):107501.

[5]顾建明,黄欣,盛翠萍,等. 磁表面张力——磁流体密封机理研究的新思路[J]. 润滑与密封,2000(4):10-12.

[6]陈达畅,程西云. 基于磁液表面张力磁流体密封模型的研究[J]. 润滑与密封,2005(5):117-120.

[7]艾志伟，吴昊. 以液体表面张力系数测量实验为例的PBL教学模式探讨[J]. 物理实验,2013,33(7):20-22.

[8]赵西梅，李何亭，周红. 超声波声速测量的拓展实验[J]. 物理实验，2014，34(12)：33-35.

[9]李艳琴. 磁性液体磁表面张力测试及其液膜拉脱过程受力分析[J]. 物理实验,2014,34(7):37-41.

[10]Sudo S, Hashimoto H, Ikeda A. Measurements of the surface tension of a magnetic fluid and interfacial phenomena [J]. Transactions Japan Society of Mechanical Engineers, 1989,32(1):47-51.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：O493.4

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)05-0030-04

作者简介：李艳琴(1979-)，女，山西忻州人，大连大学物理科学与技术学院讲师，博士，从事物理实验教学及科教结合工作.

收稿日期：2014-11-11；修改日期：2015-03-10

资助项目：大连大学2014年度教改项目(No.2014-126G1)