单位文秘网 2021-08-31 09:02:09 点击: 次
工业应用中唯一的人造磁性液体。铁磁流体在实际中有着广泛的应用,在理论上具有很高的学术价值:可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。
1832年,M. Faraday首次提出有关磁流体力学问题,他提出海水切割地球磁场产生电动势的想法,但实验未达到目的。五年后,J. F. Hartmann根据Faraday的想法,对水银在磁场中的流动进行了定量实验,并提出了粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法[1]。后来H.Alfven提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波和太阳黑子理论,并在Cosmical Elctrodynamics中集中讨论了他的主要工作,推动了磁流体力学的发展[2]。以及R. E. Rosensweig特别讨论了铁磁流体的力学[4]。后来R. Richter and A. Lange对铁磁流体表面的不稳定性进行讨论[3]等。
磁流体力学主要应用于三个方面:天体物理、受控热核反应和工业. 随着工业发展,人们对铁磁流体的研究逐渐深入。
2.预实验
2.1实验目的与装置
预实验的实验目的是观察了解题中指出的磁丘现象,初步了解非均匀场与磁丘关系。
利用的实验仪器有电磁铁、一个时间继电器、电源、磁流体、表面皿和观察装置。
2.2实验过程与现象
(1)两个电磁铁分别放置在中心板的上下两面。(如图1)
(2)给B电磁铁通电。逐渐改变电流强度,一些凸起出现在表面。(如图2)
(3)随着电流强度逐渐增加,磁流体表面小凸起的个数也逐渐增加,呈现一个尖峰的半球。(如图3)
(4)给B通电的同时,给A通电,使A、B电磁铁同极相对。随A中电流增强,尖峰半球向外扩展,变成中央射线。(如图4)
(5)当下面的电磁铁磁场强度减弱时,中央射线将消失,整体呈现一个凹圈形状。(如图5)
(6)给A、B同时通电,使A、B异极相对。增大上侧的电磁铁的电流强度,发现一座最高的“山峰”渐渐凸起。(如图6)
(7)继续增大上面电磁铁的磁场强度,磁丘不断增多,并开始向上面的电磁铁靠近,并被吸上去。(如图7)
3.现象分析
3.1为什么会出现各种各样的褶皱构型(磁丘)?
3.1.1铁磁质的一些介绍
关于铁磁性的起因:铁磁质内存在许多自发磁化的小区域——磁畴(起因于电子自旋磁矩的自发有序排列)。磁畴的磁矩平时取向杂乱,磁矩相互抵消。当存在外磁场时,会发生:一,磁矩方向与外磁场相近的磁畴要扩大体积(畴壁外移);二,磁畴的磁矩方向都不同程度的向外磁场方向靠拢(取向).此时磁矩总和不再为0,具有铁磁性。
3.1.2铁磁流体的几点介绍
(1)良好的稳定性.胶体的布朗运动;固液两相间粘附力大;(磁性微粒微小,数密度大,接触面积大)。加之基载液自身具有的内聚能,即可通过外加磁场控制整个铁磁流体胶体。
(2)对磁场的响应。在强磁场中,特别是磁场梯度很大时,磁流体的固液两相有滞后问题。因此我们选择的磁场强度、梯度适中。
(3)磁流体的热学特性。磁流体在某一温度范围内,随温度上升,磁性减弱;超过某一温度,则无磁性。则需控制无关变量温度(一般室温下即可)。
3.1.3前提假设
(1)视为连续介质:由于固相微粒数密度大,且均匀弥散,宏观上具有充分连续性。
(2)视为牛顿流:固相微粒均匀弥散,可视为粘度值不变。
(3)视为不可压缩流:流体密度变化小可忽略。
3.1.4受力角度分析
可以看出受力分析十分复杂,如需求解可查相关文献,但并不利于我们深入的理解磁丘形成的原理。
3.1.5能量角度分析
液体表面具有表面张力σ,恒温恒压下可逆地增大表面积dA,需做工σ·dA,即表面能的增加。
外磁场对磁流体做功:一是会驱使固相微粒移动;二是使固相微粒磁矩旋转;即静磁能改变。
磁化过程中产生方向各异的磁畴以降低总静磁能,并达到平衡。平衡态的磁畴能量最低。之所以会产生磁丘形状,是因为在该形状下整个磁场的磁势能减少超过液体表面能和重力势能增加,使整个体系总能量最低。
若外加均勻磁场,则会在某一水平面上产生起伏;若外加非均匀磁场,则会在某个曲面上产生起伏.后文会继续分析原因。
若取总体积为V0 的磁流体,考虑表面能、重力势能和磁势能使总能量最小。若只考虑表面能,则正球体表面能最小;若只考虑重力势能,则无限宽广的薄层重力势能最小;若只考虑磁势能,要使整个磁场能量最小,则相同外磁场下,在铁磁质中能量小于真空磁场中能量。
对比图9和图10,在磁场较小和较大的时候形成磁丘形状不同。可得出结论,表面能使其趋于“平滑”,重力势能使其趋于“下垂”,而磁势能使其趋于磁场发散且B变大的方向。
3.1.6类比角度分析
把体积为V0的磁流体看成是一个容积为V0的无盖容器,开口处固定一层橡皮膜。类比铁屑自发地顺着磁力线排布(如图11),铁磁微粒相当于小磁针,会指向磁力线方向,磁流体也会顺磁力线形成小圆锥体(永磁体制造的非均匀场中,同一水平面,中部磁场强度大,边缘处磁流体会向中上部运动,形成鼓包)。考虑到膜内外压强(即磁流体的表面张力),凸起周围内凹(如图12)。
再分析磁流体表面会有小凸起而不是一整个大鼓包(事实上,磁场越大,磁丘越细密,整个磁流体趋于一个大鼓包),我们可以继续类比“铁屑”,铁屑不会均匀铺满表面(即形成大鼓包)而是顺磁力线排布(即形成小凸起),就可以较好地理解。但磁场较大时,“铁屑”更密地吸附在磁体表面,看起来则趋于形成鼓包。
3.2磁丘的数量是如何变化的?
直观感受是随磁场增大,磁丘个数增多(如图13)。下面进行进一步探究,考虑到研究变化的是趋势,以及特斯拉计的使用习惯,选择永磁体对应的磁流体的中心点(此处磁场方向垂直永磁体表面)为场强测试点。(如图14)
观察到几点问题:
第一,存在最小临界磁场,超过该场强才会有磁丘出现;也存在一个最大的阈值,超过该值边界会出现中央射线形状不再是单个磁丘。
第二,磁丘数量变化的整体趋势是随着磁场强度的增加,磁丘个数增长速度起初较慢,随后较快,最后较慢。
第三,磁感应强度由小到大与由大到小磁丘数量并不完全一致。
针对第二三点问题进行分析:“磁滞”现象(附一张铁磁质磁化曲线图15).通过讨论H和B的关系,以及B和个数关系进而讨论H和个数关系。
首先,铁磁质中B-H不存在单值关系——当H减小时,B也随之减小,但B的减小“跟不上”H的减小,即磁滞现象.磁滞现象是由于畴壁的外移及磁矩的取向是不可逆的,铁磁流体在退磁过程中有一定磁滞。
其次,B越大,磁力线越密集,类比铁屑,即磁丘会更多。
3.3对于小磁丘的表面形状有什么规律?
随着场强变化,每个小磁丘周围紧邻的磁丘个数会发生变化(如图16、17)。
我们可以构建一个简洁的模型,按照小磁丘紧邻磁丘的个数赋予小磁丘形状。
可以直观的得到一个结论:随着场强增大,小磁丘个数增多,小磁丘形状也从四边形变为五边形、六边形、七边形。而且是整个液面中部先变化,边缘后变化。
随着场强增大,磁丘个数增多,表面更“破碎”,则相应的,一个磁丘周围的磁丘会更多。中心处磁力线更密集,变化更灵敏.对于七边形形成的原因:我们知道平面上一个圆形紧密贴合的圆形最多有六个,但此时磁丘在一曲面上,且并非緊密贴合,故出现了七边形。
4.总结和展望
对于磁丘的性质:它具有磁流体普遍具有的性质:良好的稳定性;对磁场有响应,即表面的不稳定性以及有一定热学特性。另外,磁丘在磁场较大处更加密集,形状上更紧凑,磁流体表面更加破碎。
本文对磁丘的原理给出较易懂的解释:有基础知识的铺垫,有一定的前提假设,从受力、能量和类比三个角度分析.但实验的结果都有给出了一定的理论分析,且联系了多方面的知识,使内容更饱满. 但缺乏定量分析,以及缺乏对更普适的外磁场给出一个解释。
参考文献:
[1] Hartmann J, Lazarus F. Hg dynamics. II -Experimental investigations on the flow of mercury in a homogeneous magnetic field [J]. 1937.
[2] Hannes Alfvén, Carl‐Gunne F?lthammar. Cosmical Elctrodynamics [J]. Physics Today 17(6):55-55. 1964.
[3] R. Richter and A. Lange. Surface Instabilities of Ferrofluids [J].Lect. Notes. Phys. 763, 157–247 (2009).
[4]R. E. Rosensweig. Ferrohydrodynamics [M].Cambridge University Press. 1985.
[5]C. Chen and Z.-Y. Cheng. An Experimental Study on Rosensweig Instability of a Ferrofluid [J]. Droplet. Phys. Fluids. 20, 054105 (2008).
[6]R. Friedrichs and A. Engel. Statics and dynamics of a single ferrofluid-peak. Eur. Phys. J. B 18, 329–335 (2000).
[7]池长青.铁磁流体的物理学基础和应用[M]. 北京航空航天大学出版社出版社.2011.
[8]梁灿彬,秦光戎,梁竹健.电磁学 [M]. 高等教育出版社.2012.
[9]李德才.神奇的磁性液体 [M].科学出版社.2016.
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