均匀磁场中磁性液体的磁表面张力系数实验研究

李艳琴（大连大学，物理科学与技术学院，大连辽宁 116622）



均匀磁场中磁性液体的磁表面张力系数实验研究

李艳琴
（大连大学，物理科学与技术学院，大连辽宁 116622）

摘 要基于特殊性能的磁性液体增设了综合性设计性实验项目，根据项目式教学法初步实现了以学生自我训练为主的教学模式．本文设计了磁性液体磁表面张力系数智能测试仪，研究了均匀磁场中4种不同类型磁性液体的磁表面张力系数随磁感应强度的变化规律．随外加磁场磁感应强度的增强，磁性液体的磁表面张力系数增大，主要是磁场增强了磁性颗粒之间的相互作用力．磁感应强度相同时，载液质量对磁性液体的磁表面张力系数影响较大，载液质量越小，单位体积内融入的磁性颗粒数量越多，导致磁性液体的磁表面张力系数越大．表面活性剂种类对磁性液体磁表面张力系数的影响也较大，由于油酸对磁性颗粒的吸附作用比PBSI－941表面活性剂强，油酸官能团较早吸附在磁性颗粒表面，限制了磁性颗粒进一步长大，导致MFO－4磁性液体磁表面张力系数较小．

关键词均匀磁场；磁性液体；磁表面张力系数

磁性液体是依靠表面活性剂的空间排斥力将纳米级的磁性颗粒分散在载液中形成的智能材料，磁性颗粒、载液及表面活性剂三者共同决定了磁性液体的性能［1］．磁性液体具有特殊的磁性能，是一种超顺磁性材料，无外加磁场作用时，各磁性颗粒的磁矩方向杂乱无章，磁矩互相抵消，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［2，3］．

外加磁场作用于磁性液体时，分散在载液中的磁性颗粒沿磁场方向排列，形成链状结构［4］，当光通过磁性液体时，其折射率和透射率会随磁感应强度的变化而改变［5－7］；磁性颗粒的链状结构还会对磁性液体的表面张力系数产生较大影响．陈达畅等人的研究结果显示［8］，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，导致其表面张力明显增加．正是由于磁性液体的此种特殊性能，将磁性液体引入物理实验中，以项目式教学法为手段，改革实验内容和手段，让学生主动去实施和探索未知的实验项目，引导学生查阅文献、设计实验方案、解决实验过程中遇到的问题［9］．通过开设综合性设计性实验项目，使理论与实验有机结合，引导积极主动探索新知识，实现以学生自我训练为主的教学模式，提高学生的创新思维和实际动手能力［10］．因此，本文将磁性液体引入拉脱法测量液体表面张力系数实验中，将基础性实验转变为综合性设计性实验，以学生为中心，以实际项目为载体，让学生主动参与实验项目的全过程．

1 磁性液体磁表面张力测试原理

本文设计了磁性液体磁表面张力系数智能测试仪，如图1所示．培养皿放置于空心螺线管的中心部位，将悬挂在力敏传感器上的片状吊环浸入磁性液体中，施加电流改变磁感应强度，使用拉脱法测量均匀磁场中不同磁感应强度时磁性液体的磁表面张力系数．使用磁屏蔽网避免磁场对力敏传感器产生影响，倒入大约1．0cm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垂直磁场中，所施加的磁场方向竖直向上，垂直于磁性液体表面，研究均匀磁感应强度对磁性液体磁表面张力的影响．通过计算机实时在线监测电压值的变化，提高了测量的精度．

图1　磁性液体磁表面张力系数智能测试仪

拉脱法是测量液体表面张力系数最常用的方法，其详细实验原理及受力分析见文献［9］［11］，拉脱过程中片状吊环的受力平衡方程为

式中，F为片状吊环所受拉力；m为片状吊环的质量；m膜为液膜的质量；f1和f2为片状吊环内外表面液体的表面张力；θ为表面张力与竖直方向的夹角；g为重力加速度．

液膜破裂前瞬间表面张力f1和f2完全竖直向下，此时液膜很薄，其重力m膜g可忽略不计．液膜破裂前后瞬间，片状吊环的受力平衡方程分别为

根据表面张力的定义式可得

力敏传感器所受拉力可表示为

联立式（2）～（6）可得

式中，F1和F2分别为液膜破裂前后瞬间片状吊环所受的拉力；D1和D2为片状吊环内外径；U1和U2为液膜破裂前后瞬间力敏传感器输出的电压值；σ为磁性液体的磁表面张力系数．

4种磁性液体为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，MFP－1、MFP－2和MFP－3这3种磁性液体的表面活性剂为PBSI－941（聚丁烯基丁二酰亚胺四乙烯五胺），MFO－4磁性液体的表面活性剂为油酸．按质量比配制载液和表面活性剂混合液，超声处理15min，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．MFP－1、MFP－2和MFP－3这3种磁性液体，除载液质量不相同外，其他制备参数均相同，它们的载液质量比为9∶10∶11；MFO－4磁性液体与MFP－1磁性液体除表面活性剂为油酸外，其他制备参数相同，用以研究表面活性剂对磁表面张力系数的影响．

2 均匀磁场中磁性液体磁表面张力系数研究

对力敏传感器定标数据见表1，根据逐差法可得力敏传感器灵敏度B＝7．727V／N．使用95A型集成霍尔元件特斯拉计测量了不同电流时空心螺线管轴线上均匀磁场的磁感应强度，分别为0、11、22、33、43、53mT，研究不同磁感应强度时磁性液体磁表面张力系数的变化规律．表2为不同磁感应强度时，4种磁性液体液膜破裂前后电压值的变化情况及磁性液体的磁表面张力系数，随磁感应强度增强，液膜破裂前瞬间的电压值U1逐渐增加，且4种磁性液体的变化情况不完全相同．以磁感应强度为横坐标，磁表面张力系数为纵坐标进行绘图，研究磁感应强度对磁性液体磁表面张力系数的影响规律，如图2所示．

表1　力敏传感器定标数据

表2　4种磁性液体的磁表面张力系数

据学者研究1L磁性液体中分散了1018的磁性颗粒［12］，因此磁性液体的表面张力是一种特殊意义的表面张力，它不仅包含液体分子之间的力，还包括了磁性颗粒之间的相互作用力．由图2可知，无外加磁场作用时，4种磁性液体的磁表面张力系数较小，一方面是由于表面活性剂的加入大大降低了载液的表面张力系数；另一方面是由于无外加磁场作用时，各磁性颗粒的磁矩方向杂乱无章、互相抵消，磁性液体不显示宏观磁性，磁性颗粒之间的相互作用力较弱，不会形成较长的类链状结构，导致无外加磁场作用时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，4种磁性液体的磁表面张力系数随磁感应强度增强逐渐增大，是由于各磁性颗粒的磁矩方向逐渐转向外加磁场方向，随磁感应强度越强，磁矩方向将平行于外加磁场方向，使得磁性颗粒之间的相互作用力大大增强，大量的磁性颗粒沿磁场方向紧密排列成类链状结构的长磁链，且磁感应强度越强，磁链越长，磁链之间的相互作用力越强，这些长磁链导致磁性液体的磁表面张力系数增加，且外加磁感应强度越强，磁性液体的磁表面张力系数越大．

图2　4种磁性液体磁表面张力随磁感应强度变化曲线

由图2还可发现，MFP－1、MFP－2和MFP－3 这3种磁性液体中，外加磁感应强度相同时，MFP－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MFP－2和MFP－3磁性液体少，单位体积内融入的磁性颗粒数量最多，MFP－1磁性液体的饱和磁化强度达到了67．2mT，随磁感应强度增强磁性颗粒之间的磁吸引力最强，磁性颗粒形成的链状结构最稳定，导致其磁表面张力系数也最大；MFP－2和MFP－3磁性液体由于载液用量较多，单位体积内融入的磁性颗粒较少，它们的饱和磁化强度分别为56．2mT和50．1mT，二者的磁表面张力系数也较小．MFO－4磁性液体的表面活性剂为油酸，由透射电子显微镜分析可知，该磁性液体中颗粒的直径仅为8nm，而MFP类磁性液体颗粒直径达到了10nm，主要是由于油酸对磁性颗粒的吸附作用强于聚丁烯基丁二酰亚胺四乙烯五胺，官能团较早吸附在磁性颗粒表面，限制了磁性颗粒进一步长大，生成的磁性颗粒磁性能较弱，导致其饱和磁化强度仅为43．9mT，磁性颗粒形成的链状结构相互作用力较弱，使得MFO－4磁性液体的磁表面张力系数比相同参数制备的MFP类磁性液体的小很多．

3 结语

本文将性能特殊的磁性液体引入了物理实验教学中，根据“项目式教学法”设计了磁性液体磁表面张力系数智能测试仪，研究了均匀磁场中4种不同类型磁性液体的磁表面张力系数随磁感应强度的变化规律，该实验项目内容新颖，激发了学生主动去实施和探索未知的实验项目的兴趣．研究发现，无外加磁场作用时，磁性颗粒之间的相互作用力较弱，4种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，随磁感应强度增强，4种磁性液体的磁表面张力系数增大，主要是由于磁性颗粒之间的相互作用力大大增强，各磁性颗粒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，外加磁场增强了磁性颗粒之间的相互作用，导致磁性液体的磁表面张力系数增加，且外加磁感应强度越强，磁性液体的磁表面张力系数越大．磁感应强度相同时，载液质量大小也影响了磁性液体的磁表面张力系数，载液质量越小，单位体积内融入的磁性颗粒数量越多，导致磁性液体的磁表面张力系数越大．表面活性剂种类对磁性液体磁表面张力系数的影响也较大，MFO－4磁性液体由于油酸对磁性颗粒的吸附作用强于聚丁烯基丁二酰亚胺四乙烯五胺，官能团较早吸附在磁性颗粒表面，限制了磁性颗粒进一步长大，导致MFO－4磁性液体磁表面张力系数也较小．

参考文献

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［3］ 布和巴特尔，黄波，刘晓红，等．酯基磁性流体的制备与性能分析［J］．化学工程师，2008，155（8）：63－65．

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［12］ Rosensweig R E．Magnetic fluids［J］．Annual Reviews Inc．，1987，19：437－463．

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

作者简介：李艳琴，女，讲师，主要从事物理理论和实验教学科研工作，研究方向为磁性液体的制备、性能及应用．liyanqin＿dlu＠126．com

基金项目：国家自然科学基金项目（51077006）；大连大学2014年度教改项目（2013－126G1）；辽宁省科学技术计划面上项目（2015020585）；大连大学博士后启动项目（20151QL023）．

收稿日期：2015－05－23