刘付永红+曹东+叶晓靖

【摘 要】利用古埃磁天平进行测量磁流体磁化特性，较好地验证了磁流体具有强磁性，磁化特性曲线中没有磁滞回线的特点。且对磁化强度与磁场强度的关系曲线进行了方程拟合，实验结果与磁流体理论基本一致。

【关键词】磁流体； 分析天平； 磁化特性

引言

磁性材料在近代科学技术中得到广泛应用，不断探索研究新的磁性材料的性质，具有十分重大的意义，其中 磁流体成为纳米磁性材料中的一个新热点。磁流体材料是由纳米强磁性粒子、基液以及表面活性剂三者混合而成的一种稳定胶状溶液。该流体在静态时无磁吸引力，当外加磁场作用时，才表现出有磁性。由于这种胶状液体既有固体磁性材料的强磁性，又有液体的流动性，以及许多其它固体磁性材料与液体物质所不具有的特殊性质，因此作为一种特殊磁性材料，磁流体具有强磁性特点，但又与通常的铁磁性物质不同，其磁化特性曲线中不存在剩磁和矫顽力。用磁天平进行磁化特性的测量是一种常用的材料磁特性测量方法，它具有简便、快速、直观，能对顺磁或反磁的固体和液体进行测量等优点。笔者4种不同材料磁流体，采用磁天平对其磁化强度与磁场强度的关系进行测量，并求得磁化强度与磁场强度的关系曲线，此实验结果与磁流体的理论基本一致，该实验方法及实验内容可在相关科研和大学物理实验中应用。

2.磁化特性测量原理

磁流体的磁化特性采用古埃磁天平原理进行测量，其工作原理图如图1所示。将样品装入圆柱形玻璃样品

图1古埃磁天平工作原理示意图

管中，悬挂在电子天平的一个臂上，使样品中心处于电磁铁两极的中心（即均匀磁场区域），此处磁场强度最大。样品的顶端离磁场中心较远，磁场强度很弱，整个样品处于一个非均匀的磁场中。由于沿样品的轴心z方向，存在一个磁场强度梯度，故样品沿Z轴方向受到磁力作用，大小为：

fz=∫H0H（x-x空） （1）

式中H为磁场中心磁场强度，H0为样品顶端处的磁场强度，x为样品体积磁化率，x空为空气的体积磁化率，S为样品的截面积（位于X、Y平面）， 为真空磁导率。

通常H0即为当地的地磁场强度，一般可略去不计，作用于样品的力可表示为：

由于天平分别装有被测样品的样品管和不装样品的空样品管在有外加磁场和无外加磁场时的质量变化，某一不均匀磁场作用于样品的力可由下式计算：

fz=（△m样品+空管-△m空管）g （3）

式中，△m样品+空瓶为装有样品的样品管在外加磁场，质量变化值，△m空瓶为空样品管在外加磁场，质量变化值。

式中，空气的体积磁化率x空相对样品而言通常很小，可忽略不计。

3.实验装置及材料

实验装置主要包括：FD—FM—A型古埃磁天平，JA2003A型电子天平，内径10mm、长180mm底部为平底的圆形玻璃管。

磁流体样品为载液不同的四种磁流体，分别是：A—水基铁氧体磁流体，B—航煤基铁氧体磁流体，C—机油基铁氧体磁流体，D—二酯基铁氧体磁流体（以下实验中都采用此编号）。

4.实验内容及方法

①预热磁天平五分钟后，校正磁天平，调节磁天平两磁极间距在20mm处；

②用电子天平称空样品玻璃管质量，将玻璃管安装在磁天平两磁极中央位置（一定要调整在中央位置，否则随着磁场不断增大，由于位置不在中央，会引起左右两磁极对样品的磁吸引力大小不一样，因而样品管会向受力大的一方偏移，最后被吸附在磁极上，造成测量结果有较大误差）；

③调节磁天平电流大小，磁场强度从零开始逐步增大，依次称空管质量。再反向逐步减小磁场，称空样品玻璃管质量，两次称量结果要基本一样。

④样品管加样品，磁场强度从零逐渐加大， 按照步骤②③进行测量，同一磁场下的两次（磁场上升和下降各一次）称量，若结果相差较大，则须全部重称。

5.实验结果分析

实验测得磁流体磁化特性曲线，所得数据绘制成磁化强度与磁场强度的关系图后（见图2～5），可以看出四种磁流体的饱和磁化强度大致都在330Gs，磁流体达到饱和时的磁感应强度为1000～1300Gs左右，因为四种磁流体采用的磁性微粒是相同的，所以磁化特性相近。

从以上4图可以看出，4条特性曲线的曲线形状十分相似，磁流体磁化强度随磁场强度不断增大，增长趋势不断趋于平缓。这些实验特性曲线与著名学者R.E.Rosensweig和Shliomis提出的磁流体磁化特性曲线理论及实验曲线基本一致。

一般磁流体的磁化特性可用Langevin函数来表示，但是该公式比较抽象，在实际应用中很不方便。根据上述特性曲线图形的特点，磁流体磁化特性函数非常符合反正切函数形式M=α·arctan（β·H），因此可采用该函数来表达磁流体磁化特性。对于其中磁流体材料参数α和β，采用拟合方程法分别求解。

对此方程进行拟合，得到拟合曲线分别如图2～5所示。

其拟合参数方程如下：

水 基： MA=275arc tan（0.0028H） （5）

航油基： MB=230arc tan（0.0038H）（6）

机油基： MC=250arc tan（0.0035H）（7）

二酯基： MD=240arc tan（0.0036H）（8）

通过拟合获得的磁化特性曲线方程，将方便于磁流體在各种应用场合的使用。本实验可用于磁流体磁化相关的应用研究，也可以用于大学生近代物理实验教学。

【参考文献】

[1]池长青.铁磁流体力学[M].北京：北京航天航空大学出版社，1993

[2]倪新蕾.大学物理实验[M].华南理工大学出版社， 2007

[3]刘桂雄，曹东，程韬波.基于磁流体独有特性的各种潜在传感器[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