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拉脫法測量:不同性能磁性液體的磁表面張力變化規(guī)律與影響因素(一)
來源:物理實(shí)驗(yàn) 瀏覽 314 次 發(fā)布時(shí)間:2024-10-16
使用拉脫法測量了磁性液體的磁表面張力,根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集電壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)得到U-t曲線,進(jìn)而將液膜拉脫過程分為6個(gè)階段,分別研究了每個(gè)階段的電壓變化原因。無外加磁場作用時(shí)2F號(hào)磁性液體存在一電壓變化較平緩的階段,而白油和1F磁性液體并未出現(xiàn)此現(xiàn)象,這主要是因?yàn)榘子秃?F磁性液體表面張力較大,2F號(hào)磁性液體的表面張力較小造成。有外加磁場作用時(shí),磁性液體的磁表面張力增加,主要是由于外加磁場增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用。
1、前言
磁性液體是由包覆表活性劑的磁性顆粒分散在載液中,依靠表面活性劑分子層的排斥作用而穩(wěn)定存在,特殊結(jié)構(gòu)決定了磁性液體表面張力的特殊性,外加磁場作用于磁性液體時(shí),分散在載液中的磁性顆粒濃度和磁場強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力發(fā)生變化,從而影響磁性液體在界面不穩(wěn)定性、液滴形變、密封等方面的應(yīng)用。Sudo等人的研究表明:水基和煤油基磁性液體的磁表面張力隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)而變大;隨濃度增加,水基磁性液體的磁表面張力變小,而煤油基磁性液體的表面張力變大。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)置了“拉脫法測量液體的表面張力系數(shù)”,一般都是測量水及其溶液的表面張力,以教師講授為主,且內(nèi)容簡單,引不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,艾志偉等人提出將PBL教學(xué)模式應(yīng)用到拉脫法測量液體的表面張力系數(shù),以問題為導(dǎo)向,可促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)。
因此,本文將特殊的磁性液體融入實(shí)驗(yàn)教學(xué),使用拉脫法測量其磁表面張力,新鮮知識(shí)的融入可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性;將硅壓力敏傳感器的力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸入計(jì)算機(jī),利用計(jì)算機(jī)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓值的變化,研究拉脫過程中不同性能磁性液體的磁表面張力變化規(guī)律,讓學(xué)生了解磁表面張力的影響因素。根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線采集的電壓隨時(shí)間的變化曲線將液膜拉脫過程分為6個(gè)階段,分別對(duì)每個(gè)階段研究了電壓變化的原因。測量了豎直方向上均勻磁場中不同性能的磁性液體的磁表面張力,分析了磁場強(qiáng)度對(duì)其的影響。
2、實(shí)驗(yàn)裝置及原理
拉脫法是測試液體表面張力最常用的方法,該方法靈敏度高、儀器簡單,因此使用拉脫法測量了磁性液體的磁表面張力,測試裝置如圖1所示。將培養(yǎng)皿放入空心螺線管的中心位置,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(huán)處于均勻磁場中,所施加的磁場方向豎直向上,該磁場方向平行于切線方向的磁性液膜,研究均勻磁場強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力的影響。
如圖2所示。液膜破裂前后瞬間,片狀吊環(huán)的受力平衡方程分別為
根據(jù)表面張力的定義式可得:
力敏傳感器所受拉力可表示為
聯(lián)立(1)——(5)式可得:
式中,F(xiàn)1和F2分別為液膜破裂前后瞬間片狀吊環(huán)所受的拉力,f1和f2為片狀吊環(huán)內(nèi)外表面液體的表面張力,θ為表面張力與豎直方向的夾角。m為片狀吊環(huán)的質(zhì)量,D1和D2為片狀吊環(huán)內(nèi)外徑,B為力敏傳感器靈敏度,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(shù)。
圖1磁性液體磁表面張力測試儀
圖2片狀吊環(huán)某過程受力分析
3、無外加磁場和有磁場作用時(shí)磁性液體的表面張力
實(shí)驗(yàn)使用的磁性液體采用等離子體法研制,將7#白油和PBSI-941表面活性劑按比例配制,常壓下加溫進(jìn)行超聲波分散,使二者充分混合,倒入反應(yīng)腔;通Ar置換反應(yīng)腔內(nèi)空氣,使用交變高頻脈沖電壓對(duì)NH3和Ar放電產(chǎn)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(yīng)溫度和時(shí)間,合成氮化鐵磁性液體。納米磁性顆粒的直徑范圍為9——15nm.1F號(hào)和2F號(hào)磁性液體制備時(shí)7#白油和PBSI-941表面活性劑的質(zhì)量比分別為4.5:1和5:1,除7#白油用量不同外,其他制備參量相同。
表1力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)
圖3 7#白油和磁性液體液膜的收縮狀態(tài)
力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)見表1,使用Origin軟件對(duì)直線進(jìn)行擬合,可得力敏傳感器靈敏度B=7.727V/N.測量無外加磁場作用的磁性液體表面張力系數(shù)時(shí),為直觀觀察拉脫時(shí)液膜的變化過程,將培養(yǎng)皿放置于電磁線圈端部進(jìn)行測量,圖3為拉脫過程中某一瞬間液膜的收縮狀態(tài),從圖中可看到,磁性液體的液膜拉得更長,液膜收縮的趨勢比白油更明顯,這主要是因?yàn)榇判砸后w中加入的表面活性劑降低了其表面張力??蓮谋砻鎻埩π纬稍韥矸治銎渲械脑颍旱谝?,液體表面張力系數(shù)的大小宏觀上反映出液體表面具有自動(dòng)收縮的趨勢,表面張力系數(shù)較大的白油由于分子和分子之間的引力較大,表面層分子更容易向液體內(nèi)部運(yùn)動(dòng),某一拉力作用下,液膜斷裂,不易拉起較長的液膜;第二,不同液體對(duì)同一種固體的浸潤程度不一樣,表面張力系數(shù)小的液體(0.03N/m左右),幾乎能浸潤一切固體;表面張力系數(shù)較大的液體,只能浸潤某些固體;7#白油的表面張力系數(shù)大于磁性液體,片狀吊環(huán)和磁性液體的結(jié)合力大于片狀吊環(huán)和7#白油的結(jié)合力;液膜不容易和片狀吊環(huán)脫離,拉起來的液膜比較長。