磁性液体表观密度的实验研究

1磁性液体表观密度的实验研究磁性液体（Magneticfluid）简称磁流体，它是由单分子层（2nm）表面活性剂包覆的，直径小于10nm的单畴磁性颗粒高度弥散于某种载液中而形成的“固液”两相胶体溶液，既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是一种性能独特应用广泛的新型纳米液态功能材料[1]，理想的磁流体磁滞回线是一条过坐标原点的S型曲线，无磁滞现象[2]。磁流体技术是一门涉及物理、化学、力学、流变学等多学科的交叉边缘学科，是材料科学中的一支新秀[3]。在外界磁场作用下，磁流体具有悬浮、承压、密封、导航、定位等特性，我们利用磁流体密度受磁场梯度影响而分布的非均匀性，研制出“磁流体表观密度随磁场变化测量仪”[4]，既能测量磁流体中不同深度的表观密度，也能测量磁流体中某点的表观密度随磁场变化的规律。实验原理1.磁流体的表观密度用透明玻璃细管盛满磁流体并置于恒定非均匀磁场中，则管内单位体积磁流体受到重力Fg和磁力Fm的作用,若重力方向为Z，则其所受合力为：mzgFFF（1）若用H表示磁场强度，用m表示磁流体的磁化强度，ZH表示Z方向的磁场梯度,m表示磁流体固有密度，则（1）式为ZHHgFmmZ（2）若磁场梯度0ZH，则gFmZ。相当于磁流体得到加重，或者说，磁流体的固有密度在非均匀磁场中发生了变化，在这种情况下的磁流体密度就称为表观2密度或视密度，用s表示：gZHHgFmmZ/即：gZHHmms/（3）s即为磁场中磁流体的表观密度。可见，表观密度不仅与其固有密度有关，还与它的磁化强度、它所在环境中的磁场及磁场梯度有关。2.测量原理由（3）式，只要测出m，mx以及H，ZH即可求出s。但这种方法需要的仪器种类较多，程序也比较复杂。磁流体做为一种固液两相胶体溶液，它的表观密度可以用流体静力称衡法通过单盘天平来测量。测量程序与实验二中描述的方法大至相同。具体提示如下：1)在天平横梁的左端，用细线悬吊一个由非铁磁质制成的平衡锤，在天平的砝码盘上加砝码，测出平衡锤在空气中的质量m。2)将平衡锤吊入密度为w蒸馏水中，测出平衡锤在蒸馏水中的表观质量wm，得到Vggmmgww(4)式中V是平衡锤的体积，w是蒸馏水的密度。3)将平衡锤吊入盛有磁流体的玻璃量筒内，测出它在磁流体中的表观质量sm，得到Vggmmgss（5）由（4）、（5）式得wwssmmmm（6）可见，只要测出平衡锤的固有质量m，以及它在蒸馏水中表观质量wm和在磁流3体中的表观质量sm，则可求出磁流体的表观密度s。值得指出的是，测sm时，应在平衡锤所在处及周围的有限空间内提供一个非均匀磁场。这个磁场由电磁铁产生，电磁铁固定在天平的底座上，如图1所示,只要在电磁铁线圈中通以电流I，即可产生磁场，且磁场强度H随I而变。在量筒内的不同深度，sm将不同。即使在同一深度，I变化时，sm也将发生变化。图1磁性液体表观密度测量仪结构示意图1天平横梁2横梁支架3天平支柱4天平称盘5T型螺母6T型螺杆7天平底座8磁化线圈9铁心10玻璃量筒11平衡锤12磁流体13标尺实验任务1.测量磁流体在不同深度h处的s，至少测6个点，并作出hs曲线，根据曲线形状说明变化规律，解释产生这种变化的原因。2.在同一深度测s。改变励磁电流，至少取6个I值，并作出Is曲线。根据曲线形状说明变化规律，解释产生这种变化的原因。3.允许学生在上述两项任务之外，另寻其它实验课题，实验室将提供帮助。实验条件实验室提供磁流体表观密度测量仪、高斯计、磁流体样品等。4磁流体表观密度测量仪,如图1所示，它是由四部分组成；一是单盘天平，调节T形螺母5和T形螺杆6，可以使横梁1上升或下降；二是由磁铁8、9及直流稳压电源（稳压电源未画出），调节稳压电源的输出电压，可以改变励磁电流I；三是玻璃量筒10，用来盛磁流体试样12；四是深度标尺13，用来测量平衡测锤所在的深度。方法提示1.单盘天平的操作方法与双盘天平基本相同。2.励磁电流不大于1.4安培。3.励磁线圈工作时，应将铁磁物质以及易受磁场影响的其它物品移开。创新园地利用磁流体在非均匀磁场中表观密度的变化规律，已经成功地用来分选密度不同的非铁磁性物质，这就是“比重法分离技术”。具体做法是：把两种需要分离的材料放入磁流体中，然后施加外磁场，使其中一种材料上浮，另一种材料下沉。日本研制的比重分选机成功的将混杂在一起的玻璃和陶瓷分离。根据你的实验结果，请你预测一下你能将哪些材料从磁流体的底部悬浮上来？不妨试一试。参考资料[1]姬海宁，兰中文，王豪才，纳米技术在磁性材料中的应用，磁性材料及器件，2002，33（2）：25-28[2]徐教仁，刘思林，腾荣厚等，高饱和磁化强度氮化铁磁性液体的研制，金属功能材料，2001，8(6)：28-31[3]蒋秉植杨健美.，磁性液体材料的应用.，化工新型材料，1994，4：1-5[4]李学慧，陆鸿钧，张萍.磁流体表观密度随磁场变化测量仪，发明专利，2003，02132428.X