均勻磁場中磁性液體的磁表面張力系數實驗研究

李艷琴（大連大學，物理科學與技術學院，大連遼寧 116622）

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均勻磁場中磁性液體的磁表面張力系數實驗研究

李艷琴
（大連大學，物理科學與技術學院，大連遼寧 116622）

摘 要基于特殊性能的磁性液體增設了綜合性設計性實驗項目，根據項目式教學法初步實現了以學生自我訓練為主的教學模式．本文設計了磁性液體磁表面張力系數智能測試儀，研究了均勻磁場中4種不同類型磁性液體的磁表面張力系數隨磁感應強度的變化規律．隨外加磁場磁感應強度的增強，磁性液體的磁表面張力系數增大，主要是磁場增強了磁性顆粒之間的相互作用力．磁感應強度相同時，載液質量對磁性液體的磁表面張力系數影響較大，載液質量越小，單位體積內融入的磁性顆粒數量越多，導致磁性液體的磁表面張力系數越大．表面活性劑種類對磁性液體磁表面張力系數的影響也較大，由于油酸對磁性顆粒的吸附作用比PBSI－941表面活性劑強，油酸官能團較早吸附在磁性顆粒表面，限制了磁性顆粒進一步長大，導致MFO－4磁性液體磁表面張力系數較小．

關鍵詞均勻磁場；磁性液體；磁表面張力系數

磁性液體是依靠表面活性劑的空間排斥力將納米級的磁性顆粒分散在載液中形成的智能材料，磁性顆粒、載液及表面活性劑三者共同決定了磁性液體的性能［1］．磁性液體具有特殊的磁性能，是一種超順磁性材料，無外加磁場作用時，各磁性顆粒的磁矩方向雜亂無章，磁矩互相抵消，磁性顆粒均勻分布在載液中，磁性液體不顯示宏觀磁性；當外加磁場作用于磁性液體時，大量納米磁性顆粒向磁場強的方向移動，導致磁性液體的各項性能發生較大變化［2，3］．

外加磁場作用于磁性液體時，分散在載液中的磁性顆粒沿磁場方向排列，形成鏈狀結構［4］，當光通過磁性液體時，其折射率和透射率會隨磁感應強度的變化而改變［5－7］；磁性顆粒的鏈狀結構還會對磁性液體的表面張力系數產生較大影響．陳達暢等人的研究結果顯示［8］，外加磁場作用于磁性液體時，納米磁性顆粒的規則排列使磁性液體形成了致密的鏈狀結構，導致其表面張力明顯增加．正是由于磁性液體的此種特殊性能，將磁性液體引入物理實驗中，以項目式教學法為手段，改革實驗內容和手段，讓學生主動去實施和探索未知的實驗項目，引導學生查閱文獻、設計實驗方案、解決實驗過程中遇到的問題［9］．通過開設綜合性設計性實驗項目，使理論與實驗有機結合，引導積極主動探索新知識，實現以學生自我訓練為主的教學模式，提高學生的創新思維和實際動手能力［10］．因此，本文將磁性液體引入拉脫法測量液體表面張力系數實驗中，將基礎性實驗轉變為綜合性設計性實驗，以學生為中心，以實際項目為載體，讓學生主動參與實驗項目的全過程．

1 磁性液體磁表面張力測試原理

本文設計了磁性液體磁表面張力系數智能測試儀，如圖1所示．培養皿放置于空心螺線管的中心部位，將懸掛在力敏傳感器上的片狀吊環浸入磁性液體中，施加電流改變磁感應強度，使用拉脫法測量均勻磁場中不同磁感應強度時磁性液體的磁表面張力系數．使用磁屏蔽網避免磁場對力敏傳感器產生影響，倒入大約1．0cm高磁性液體，保證拉脫過程中磁性液體和片狀吊環處于均勻垂直磁場中，所施加的磁場方向豎直向上，垂直于磁性液體表面，研究均勻磁感應強度對磁性液體磁表面張力的影響．通過計算機實時在線監測電壓值的變化，提高了測量的精度．

圖1　磁性液體磁表面張力系數智能測試儀

拉脫法是測量液體表面張力系數最常用的方法，其詳細實驗原理及受力分析見文獻［9］［11］，拉脫過程中片狀吊環的受力平衡方程為

式中，F為片狀吊環所受拉力；m為片狀吊環的質量；m膜為液膜的質量；f1和f2為片狀吊環內外表面液體的表面張力；θ為表面張力與豎直方向的夾角；g為重力加速度．

液膜破裂前瞬間表面張力f1和f2完全豎直向下，此時液膜很薄，其重力m膜g可忽略不計．液膜破裂前后瞬間，片狀吊環的受力平衡方程分別為

根據表面張力的定義式可得

力敏傳感器所受拉力可表示為

聯立式（2）～（6）可得

式中，F1和F2分別為液膜破裂前后瞬間片狀吊環所受的拉力；D1和D2為片狀吊環內外徑；U1和U2為液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值；σ為磁性液體的磁表面張力系數．

4種磁性液體為大氣壓介質阻擋放電等離子體制備的ε－Fe3N磁性液體，所使用的載液為7＃白油，MFP－1、MFP－2和MFP－3這3種磁性液體的表面活性劑為PBSI－941（聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺），MFO－4磁性液體的表面活性劑為油酸．按質量比配制載液和表面活性劑混合液，超聲處理15min，使二者充分混合，注入儲存室；通Ar置換反應腔內空氣，使用交變高頻脈沖電壓對NH3和Ar放電產生氮的活性粒子，和Fe（CO）5分解生成的鐵粒子重新組合，控制好反應溫度和時間，合成ε－Fe3N磁性液體．MFP－1、MFP－2和MFP－3這3種磁性液體，除載液質量不相同外，其他制備參數均相同，它們的載液質量比為9∶10∶11；MFO－4磁性液體與MFP－1磁性液體除表面活性劑為油酸外，其他制備參數相同，用以研究表面活性劑對磁表面張力系數的影響．

2 均勻磁場中磁性液體磁表面張力系數研究

對力敏傳感器定標數據見表1，根據逐差法可得力敏傳感器靈敏度B＝7．727V／N．使用95A型集成霍爾元件特斯拉計測量了不同電流時空心螺線管軸線上均勻磁場的磁感應強度，分別為0、11、22、33、43、53mT，研究不同磁感應強度時磁性液體磁表面張力系數的變化規律．表2為不同磁感應強度時，4種磁性液體液膜破裂前后電壓值的變化情況及磁性液體的磁表面張力系數，隨磁感應強度增強，液膜破裂前瞬間的電壓值U1逐漸增加，且4種磁性液體的變化情況不完全相同．以磁感應強度為橫坐標，磁表面張力系數為縱坐標進行繪圖，研究磁感應強度對磁性液體磁表面張力系數的影響規律，如圖2所示．

表1　力敏傳感器定標數據

表2　4種磁性液體的磁表面張力系數

據學者研究1L磁性液體中分散了1018的磁性顆粒［12］，因此磁性液體的表面張力是一種特殊意義的表面張力，它不僅包含液體分子之間的力，還包括了磁性顆粒之間的相互作用力．由圖2可知，無外加磁場作用時，4種磁性液體的磁表面張力系數較小，一方面是由于表面活性劑的加入大大降低了載液的表面張力系數；另一方面是由于無外加磁場作用時，各磁性顆粒的磁矩方向雜亂無章、互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性，磁性顆粒之間的相互作用力較弱，不會形成較長的類鏈狀結構，導致無外加磁場作用時磁性液體的表面張力系數較小．當外加磁場作用于磁性液體時，4種磁性液體的磁表面張力系數隨磁感應強度增強逐漸增大，是由于各磁性顆粒的磁矩方向逐漸轉向外加磁場方向，隨磁感應強度越強，磁矩方向將平行于外加磁場方向，使得磁性顆粒之間的相互作用力大大增強，大量的磁性顆粒沿磁場方向緊密排列成類鏈狀結構的長磁鏈，且磁感應強度越強，磁鏈越長，磁鏈之間的相互作用力越強，這些長磁鏈導致磁性液體的磁表面張力系數增加，且外加磁感應強度越強，磁性液體的磁表面張力系數越大．

圖2　4種磁性液體磁表面張力隨磁感應強度變化曲線

由圖2還可發現，MFP－1、MFP－2和MFP－3 這3種磁性液體中，外加磁感應強度相同時，MFP－1磁性液體的磁表面張力系數最大，主要是由于該磁性液體載液用量較MFP－2和MFP－3磁性液體少，單位體積內融入的磁性顆粒數量最多，MFP－1磁性液體的飽和磁化強度達到了67．2mT，隨磁感應強度增強磁性顆粒之間的磁吸引力最強，磁性顆粒形成的鏈狀結構最穩定，導致其磁表面張力系數也最大；MFP－2和MFP－3磁性液體由于載液用量較多，單位體積內融入的磁性顆粒較少，它們的飽和磁化強度分別為56．2mT和50．1mT，二者的磁表面張力系數也較小．MFO－4磁性液體的表面活性劑為油酸，由透射電子顯微鏡分析可知，該磁性液體中顆粒的直徑僅為8nm，而MFP類磁性液體顆粒直徑達到了10nm，主要是由于油酸對磁性顆粒的吸附作用強于聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺，官能團較早吸附在磁性顆粒表面，限制了磁性顆粒進一步長大，生成的磁性顆粒磁性能較弱，導致其飽和磁化強度僅為43．9mT，磁性顆粒形成的鏈狀結構相互作用力較弱，使得MFO－4磁性液體的磁表面張力系數比相同參數制備的MFP類磁性液體的小很多．

3 結語

本文將性能特殊的磁性液體引入了物理實驗教學中，根據“項目式教學法”設計了磁性液體磁表面張力系數智能測試儀，研究了均勻磁場中4種不同類型磁性液體的磁表面張力系數隨磁感應強度的變化規律，該實驗項目內容新穎，激發了學生主動去實施和探索未知的實驗項目的興趣．研究發現，無外加磁場作用時，磁性顆粒之間的相互作用力較弱，4種磁性液體的磁表面張力系數較小．當外加磁場作用于磁性液體時，隨磁感應強度增強，4種磁性液體的磁表面張力系數增大，主要是由于磁性顆粒之間的相互作用力大大增強，各磁性顆粒的磁矩方向轉向外加磁場方向，形成了沿磁場方向排列的長磁鏈，外加磁場增強了磁性顆粒之間的相互作用，導致磁性液體的磁表面張力系數增加，且外加磁感應強度越強，磁性液體的磁表面張力系數越大．磁感應強度相同時，載液質量大小也影響了磁性液體的磁表面張力系數，載液質量越小，單位體積內融入的磁性顆粒數量越多，導致磁性液體的磁表面張力系數越大．表面活性劑種類對磁性液體磁表面張力系數的影響也較大，MFO－4磁性液體由于油酸對磁性顆粒的吸附作用強于聚丁烯基丁二酰亞胺四乙烯五胺，官能團較早吸附在磁性顆粒表面，限制了磁性顆粒進一步長大，導致MFO－4磁性液體磁表面張力系數也較小．

參考文獻

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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

作者簡介：李艷琴，女，講師，主要從事物理理論和實驗教學科研工作，研究方向為磁性液體的制備、性能及應用．liyanqin＿dlu＠126．com

基金項目：國家自然科學基金項目（51077006）；大連大學2014年度教改項目（2013－126G1）；遼寧省科學技術計劃面上項目（2015020585）；大連大學博士后啟動項目（20151QL023）．

收稿日期：2015－05－23