磁場作用下磁性流體粘度特性的研究

2010-02-04 鄒繼斌 哈爾濱工業大學電氣工程系

  磁性流體是由基載液體、磁性微粒及附著在磁性微粒表面的表面活性劑組成。因此,磁性流體的粘性和懸浮的磁性微粒及表面活性劑的行為有關。同時,磁場對磁性流體微粒的行為也會產生影響,所以磁性流體的粘性同外磁場也有關。

1、磁性流體的粘度

1.1 沒有外磁場作用時的粘度

  對于稀疏的磁性流體而言,磁性流體的粘性可以按Einstein公式計算,即

  其中,η0- 沒有磁場作用是磁性流體動力粘性系數;

  ηc- 磁性流體基載液體動力粘性系數;

  φ- 磁性流體單位體積微粒所占的體積。

  對于非稀疏的磁性流體而言,磁性流體的粘性可以根據Rosensweig公式計算,即

  通常,磁性流體基載液體的動力粘性系數 是溫度的函數。因此,磁性流體的動力粘性系數 也是溫度的函數,即

1.2、存在外磁場作用時的粘度

  一般地說,磁性流體的微粒科可以看作一個個的小環形電流。在外磁場的作用下,磁性流體微粒受到使其磁矩與外磁場方向一致的力矩。任何使它們偏離外磁場方向的傾向,都必須付出克服磁場作用的功。只有存在磁性流體微粒和基載液體相對運動的前提下,才能表現出顆粒對粘性的影響。而磁場力是控制磁性流體顆粒運動的一個因素,所以外磁場的存在,必定會對磁性流體的粘性產生影響。
若磁場存在時,磁性流體的粘度為:

其中,

  m1,m2- 液體分子、磁性微粒質量;

  n1,n2- 液體分子、磁性流體數量;

  a- 液體分子的平均直徑;

  b- 磁性微粒平均直徑;

  τ2-磁性微粒連續碰撞的平均時間;

  M- 每個磁性微粒的磁矩;

  H- 磁場強度;

  C2- 磁性微粒的平均速度。

  從方程(4)可以看出,δ依賴于磁場強度梯度,于是磁性流體粘度方程中,(1+δ)1/2就是磁場對磁性流體粘度的影響。從δ的計算方程中可以看出,如果磁場強度梯度是空間坐標的x、y和z函數,那么磁性流體的粘度在空間每一點上均發生變化。如果下列三式均成立,

  即磁場強度梯度為常數,磁性流體的粘度在所有區域均相同。同時,從方程(4)中還可以得出,當 n2/n1=0時,即溶劑的粘度ηc

2、實驗研究

  圖1所示為磁性流體粘度測試實驗裝置。從公式(4)分析中可以看出,只有當磁場梯度存在的時候,磁性流體的粘度才會產生變化。由于溫度對磁性流體的粘度也會產生影響,因此,為了能觀測到磁場對磁性流體粘度的影響,所以在右圖測試裝置中另加了一個溫度計以確保溫度的恒定,從而可以觀測出磁場的變化導致的對磁性流體的粘度產生影響不是由于溫度的變化而產生的。同時,磁性流體的液面要足夠的大,磁性流體的深度要足夠的深,即磁性流體的量要足夠大,這樣就可以忽略由于粘度計測試端的觸點所帶來的誤差。