使用拉脫法測(cè)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(xiàn)，進(jìn)而將液膜拉脫過(guò)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(wú)外加磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)量液體的表面張力系數(shù)”，一般都是測(cè)量水及其溶液的表面張力，以教師講授為主，且內(nèi)容簡(jiǎn)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(cè)量液體的表面張力系數(shù)，以問(wèn)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(cè)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(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓值的變化，研究拉脫過(guò)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(xiàn)采集的電壓隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)將液膜拉脫過(guò)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(cè)量了豎直方向上均勻磁場(chǎng)中不同性能的磁性液體的磁表面張力，分析了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其的影響。

2、實(shí)驗(yàn)裝置及原理

拉脫法是測(cè)試液體表面張力最常用的方法，該方法靈敏度高、儀器簡(jiǎn)單，因此使用拉脫法測(cè)量了磁性液體的磁表面張力，測(cè)試裝置如圖1所示。將培養(yǎng)皿放入空心螺線(xiàn)管的中心位置，倒入大約1.0cm高磁性液體，保證拉脫過(guò)程中磁性液體和片狀吊環(huán)處于均勻磁場(chǎng)中，所施加的磁場(chǎng)方向豎直向上，該磁場(chǎng)方向平行于切線(xiàn)方向的磁性液膜，研究均勻磁場(chǎng)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(cè)試儀

圖2片狀吊環(huán)某過(guò)程受力分析

3、無(wú)外加磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)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(jiàn)表1,使用Origin軟件對(duì)直線(xiàn)進(jìn)行擬合，可得力敏傳感器靈敏度B=7.727V/N.測(cè)量無(wú)外加磁場(chǎng)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(guò)程，將培養(yǎng)皿放置于電磁線(xiàn)圈端部進(jìn)行測(cè)量，圖3為拉脫過(guò)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(zhǎng)，液膜收縮的趨勢(shì)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。可從表面張力形成原理來(lái)分析其中的原因：第一，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(shì)，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(zhǎng)的液膜；第二，不同液體對(duì)同一種固體的浸潤(rùn)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(rùn)一切固體；表面張力系數(shù)較大的液體，只能浸潤(rùn)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(lái)的液膜比較長(zhǎng)。