磁天平法測量磁流體磁化特性實驗研究

劉付永紅+曹東+葉曉靖

【摘 要】利用古埃磁天平進行測量磁流體磁化特性，較好地驗證了磁流體具有強磁性，磁化特性曲線中沒有磁滯回線的特點。且對磁化強度與磁場強度的關系曲線進行了方程擬合，實驗結果與磁流體理論基本一致。

【關鍵詞】磁流體； 分析天平； 磁化特性

引言

磁性材料在近代科學技術中得到廣泛應用，不斷探索研究新的磁性材料的性質，具有十分重大的意義，其中 磁流體成為納米磁性材料中的一個新熱點。磁流體材料是由納米強磁性粒子、基液以及表面活性劑三者混合而成的一種穩定膠狀溶液。該流體在靜態時無磁吸引力，當外加磁場作用時，才表現出有磁性。由于這種膠狀液體既有固體磁性材料的強磁性，又有液體的流動性，以及許多其它固體磁性材料與液體物質所不具有的特殊性質，因此作為一種特殊磁性材料，磁流體具有強磁性特點，但又與通常的鐵磁性物質不同，其磁化特性曲線中不存在剩磁和矯頑力。用磁天平進行磁化特性的測量是一種常用的材料磁特性測量方法，它具有簡便、快速、直觀，能對順磁或反磁的固體和液體進行測量等優點。筆者4種不同材料磁流體，采用磁天平對其磁化強度與磁場強度的關系進行測量，并求得磁化強度與磁場強度的關系曲線，此實驗結果與磁流體的理論基本一致，該實驗方法及實驗內容可在相關科研和大學物理實驗中應用。

2.磁化特性測量原理

磁流體的磁化特性采用古埃磁天平原理進行測量，其工作原理圖如圖1所示。將樣品裝入圓柱形玻璃樣品

圖1古埃磁天平工作原理示意圖

管中，懸掛在電子天平的一個臂上，使樣品中心處于電磁鐵兩極的中心（即均勻磁場區域），此處磁場強度最大。樣品的頂端離磁場中心較遠，磁場強度很弱，整個樣品處于一個非均勻的磁場中。由于沿樣品的軸心z方向，存在一個磁場強度梯度，故樣品沿Z軸方向受到磁力作用，大小為：

fz=∫H0H（x-x空） （1）

式中H為磁場中心磁場強度，H0為樣品頂端處的磁場強度，x為樣品體積磁化率，x空為空氣的體積磁化率，S為樣品的截面積（位于X、Y平面）， 為真空磁導率。

通常H0即為當地的地磁場強度，一般可略去不計，作用于樣品的力可表示為：

由于天平分別裝有被測樣品的樣品管和不裝樣品的空樣品管在有外加磁場和無外加磁場時的質量變化，某一不均勻磁場作用于樣品的力可由下式計算：

fz=（△m樣品+空管-△m空管）g （3）

式中，△m樣品+空瓶為裝有樣品的樣品管在外加磁場，質量變化值，△m空瓶為空樣品管在外加磁場，質量變化值。

式中，空氣的體積磁化率x空相對樣品而言通常很小，可忽略不計。

3.實驗裝置及材料

實驗裝置主要包括：FD—FM—A型古埃磁天平，JA2003A型電子天平，內徑10mm、長180mm底部為平底的圓形玻璃管。

磁流體樣品為載液不同的四種磁流體，分別是：A—水基鐵氧體磁流體，B—航煤基鐵氧體磁流體，C—機油基鐵氧體磁流體，D—二酯基鐵氧體磁流體（以下實驗中都采用此編號）。

4.實驗內容及方法

①預熱磁天平五分鐘后，校正磁天平，調節磁天平兩磁極間距在20mm處；

②用電子天平稱空樣品玻璃管質量，將玻璃管安裝在磁天平兩磁極中央位置（一定要調整在中央位置，否則隨著磁場不斷增大，由于位置不在中央，會引起左右兩磁極對樣品的磁吸引力大小不一樣，因而樣品管會向受力大的一方偏移，最后被吸附在磁極上，造成測量結果有較大誤差）；

③調節磁天平電流大小，磁場強度從零開始逐步增大，依次稱空管質量。再反向逐步減小磁場，稱空樣品玻璃管質量，兩次稱量結果要基本一樣。

④樣品管加樣品，磁場強度從零逐漸加大， 按照步驟②③進行測量，同一磁場下的兩次（磁場上升和下降各一次）稱量，若結果相差較大，則須全部重稱。

5.實驗結果分析

實驗測得磁流體磁化特性曲線，所得數據繪制成磁化強度與磁場強度的關系圖后（見圖2～5），可以看出四種磁流體的飽和磁化強度大致都在330Gs，磁流體達到飽和時的磁感應強度為1000～1300Gs左右，因為四種磁流體采用的磁性微粒是相同的，所以磁化特性相近。

從以上4圖可以看出，4條特性曲線的曲線形狀十分相似，磁流體磁化強度隨磁場強度不斷增大，增長趨勢不斷趨于平緩。這些實驗特性曲線與著名學者R.E.Rosensweig和Shliomis提出的磁流體磁化特性曲線理論及實驗曲線基本一致。

一般磁流體的磁化特性可用Langevin函數來表示，但是該公式比較抽象，在實際應用中很不方便。根據上述特性曲線圖形的特點，磁流體磁化特性函數非常符合反正切函數形式M=α·arctan（β·H），因此可采用該函數來表達磁流體磁化特性。對于其中磁流體材料參數α和β，采用擬合方程法分別求解。

對此方程進行擬合，得到擬合曲線分別如圖2～5所示。

其擬合參數方程如下：

水 基： MA=275arc tan（0.0028H） （5）

航油基： MB=230arc tan（0.0038H）（6）

機油基： MC=250arc tan（0.0035H）（7）

二酯基： MD=240arc tan（0.0036H）（8）

通過擬合獲得的磁化特性曲線方程，將方便于磁流體在各種應用場合的使用。本實驗可用于磁流體磁化相關的應用研究，也可以用于大學生近代物理實驗教學。

【參考文獻】

[1]池長青.鐵磁流體力學[M].北京：北京航天航空大學出版社，1993

[2]倪新蕾.大學物理實驗[M].華南理工大學出版社， 2007

[3]劉桂雄，曹東，程韜波.基于磁流體獨有特性的各種潛在傳感器[J].功能材料，2006，37（5）：756～759

[4]R.E.Rosensweig.Ferrodydrodynamics[M].Cambridge：Cambridge university press， 1985

[5]M.I.Shliomis.Ferrodydrodynamics：Retrospective and Issues[M].Springer-Verlag Berlin Heidelberg， 2002