磁致炫光研究

邓宇

摘要：点光源发出的光，通过各种光学元件的时候，除了正常成像以外，还有可能产生各种杂散光，形成光斑或者光圈等图像的现象，称为炫光。影响炫光形成的原因比较多，比如观察方向是否正对光源，透镜表面是否镀膜减少反射，透光孔徑是否过小，各光学元件光轴是否同轴等。通常的处理方法都是为了减少炫光，提高成像质量，只有少数艺术摄影采取形成眩光的状态拍摄。而我们这次研究的主要内容是，磁场对炫光状态的影响和如何加强炫光的效果，用于动态观测磁场。

关键词：磁流体;磁致炫光;磁力线

【中图分类号】TQ138.1

【文献标识码】A

【文章编号】2236-1879（2018）13-0002-01

【正文】对于磁场的观察，一般是采用铁粉在磁场中的分布来显现的，只能粗略观察到磁场的分布和强弱，无法精确测量。为了达到动态观察和测量磁场的目的，将铁粉更改为微粒更精细的磁流体液体，使用两片玻璃上下夹持，并用点光源从下方照射，在玻璃上放置产生强磁场的样品，如果有明显的炫光光圈儿出现，就可模拟显示磁力线的分布。实际操作时现象并不明显，没有达到预想的效果，因此有必要针对磁致炫光效应进行系统的研究，才能达到最初设想的实验目的。

首先研究一下磁流体的结构、特性和制备方法，然后根据实验目的的需要，制备相应特性的磁流体。磁流体是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，在重力和磁力作用下能够保持稳定，不会出现沉淀或分层现象。其主要成分是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在外加磁场作用时呈现出许多特殊的磁、光、电现象。与其他液体相比，磁流体具有以下特点：

（1）在外加磁场下，有悬浮在载体中的能力。

（2）既具有液体的流动性，又具有固体磁性材料的特性，有感应磁通的能力。

（3）超声波在磁流体中传播时，其速度以及衰减与外磁场有关，并显示各向异性。它的介电常数也是各向异性的。

（4）光通过稀释的磁流体，或磁流体的薄层时，会产生光的双折射现象。当磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，具有产生炫光的趋势，在这里我们首次将其定义为磁致炫光效应。

（5）在垂直磁场的作用下，会自发地形成稳定的波峰。

（6）磁流体在外加磁场的作用中，将流向并固定在磁场强度高的一方。

通常磁流体成分中磁性固体颗粒采用的有Fe304、Fe203、Ni、Co等，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为活性剂防止团聚。磁流体制备方法主要有研磨法，解胶法，热分解法，放电法等。

关于磁流体的理论很难像普通流体力学理论那样得到充分的验证。磁流体在磁场的作用下形成丰富的微观结构，这些微观结构对光产生不同的影响，能在很大的程度上改变光的透射率和折射率，产生大的法拉第旋转、磁二向色散性、克尔效应、磁致炫光效应等。那么，磁致炫光的效应产生的微观机制是怎样的呢？通过实验观察发现，当磁流体薄层受到磁场的作用会改变自身形状为网状突起，从而形成透镜矩阵，产生炫光，随着磁场强弱变化的方向，能透光的网眼大小也依次改变，从而改变点光源的透射率形成一条曲线条纹，若采用环状点阵LED光源，则显现与磁力线分布类似的曲线图，通过测量某个局部区域的磁力线的线密度，可以定量测定磁感强度的大小。

正是因为磁流体具有以上各项优点和诸多不确定特性，我们才决定选用这种材料，通过大量试验性研究发现，不同材料制成的磁流体，拥有不同的特性，即使是同种材料制成的磁流体，溶于不同种基液中，其体现出的特性也是不一样的。

为了加强炫光出现的效果，磁流体粉末的制备原材料采用铁氧体，制备方法采用研磨法，基液采用分子极小，透光率较高的精密钟表油，并加入有机溶剂稀释，仪器配套使用的各项器材可以做如下优化：玻璃板下层为超薄玻璃，上层为有机玻璃，光源采用改制的环形LED点阵光源，并为其配备可调直流电源用于调整合适的光强，光源与玻璃屏间距需要通过升降装置可调，达到最佳效果。至此动态磁场观测仪成功研制出来，其测量和计算磁场的方法实例如下：

1定标测量：采用磁感强度已知的标准样品放在测量区域测出磁力线的线密度。

2未知磁场测量：在同一区域更换已知样品为未知待测样品，测出待测样品周围磁力线的线密度的最大值。

3计算：由于磁感强度和磁力线线密度成正比，因此

4对同一样品重复测量六次，计算不确定度，并得到最终测量

结果：

动态磁场观测仪的成功研制，标志着我们对磁致炫光效应的研究取得了阶段性的胜利，开辟了磁流体在教学科研和演示测量仪器方面的新用途，发扬了当前时代国家大力倡导的科技强国的精神。

参考文献

[1]《物理演示实验教程》路峻岭;北京;清华大学出版社;2005.7;ISBN7-302-11094-8磁力线投影p134

[2]《工程物理学》诸葛向彬;杭州;浙江大学出版社;1999.8;IS-BN7-308-02120-3物质中的磁场p306

[3]《近代光学测试技术》杨国光;杭州;浙江大学出版社，1997.9;ISBN7-308-01951-9散斑技术p210