磁場(chǎng)作用下磁性流體粘度特性的研究
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(guān)。同時(shí),磁場(chǎng)對(duì)磁性流體微粒的行為也會(huì)產(chǎn)生影響,所以磁性流體的粘性同外磁場(chǎng)也有關(guān)。
1、磁性流體的粘度
1.1 沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)的粘度
對(duì)于稀疏的磁性流體而言,磁性流體的粘性可以按Einstein公式計(jì)算,即
其中,η0- 沒(méi)有磁場(chǎng)作用是磁性流體動(dòng)力粘性系數(shù);
ηc- 磁性流體基載液體動(dòng)力粘性系數(shù);
φ- 磁性流體單位體積微粒所占的體積。
對(duì)于非稀疏的磁性流體而言,磁性流體的粘性可以根據(jù)Rosensweig公式計(jì)算,即
通常,磁性流體基載液體的動(dòng)力粘性系數(shù) 是溫度的函數(shù)。因此,磁性流體的動(dòng)力粘性系數(shù) 也是溫度的函數(shù),即
1.2、存在外磁場(chǎng)作用時(shí)的粘度
一般地說(shuō),磁性流體的微?瓶梢钥醋饕粋(gè)個(gè)的小環(huán)形電流。在外磁場(chǎng)的作用下,磁性流體微粒受到使其磁矩與外磁場(chǎng)方向一致的力矩。任何使它們偏離外磁場(chǎng)方向的傾向,都必須付出克服磁場(chǎng)作用的功。只有存在磁性流體微粒和基載液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的前提下,才能表現(xiàn)出顆粒對(duì)粘性的影響。而磁場(chǎng)力是控制磁性流體顆粒運(yùn)動(dòng)的一個(gè)因素,所以外磁場(chǎng)的存在,必定會(huì)對(duì)磁性流體的粘性產(chǎn)生影響。
若磁場(chǎng)存在時(shí),磁性流體的粘度為:
其中,
m1,m2- 液體分子、磁性微粒質(zhì)量;
n1,n2- 液體分子、磁性流體數(shù)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(xù)碰撞的平均時(shí)間;
M- 每個(gè)磁性微粒的磁矩;
H- 磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度梯度,于是磁性流體粘度方程中,(1+δ)1/2就是磁場(chǎng)對(duì)磁性流體粘度的影響。從δ的計(jì)算方程中可以看出,如果磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度是空間坐標(biāo)的x、y和z函數(shù),那么磁性流體的粘度在空間每一點(diǎn)上均發(fā)生變化。如果下列三式均成立,
即磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度為常數(shù),磁性流體的粘度在所有區(qū)域均相同。同時(shí),從方程(4)中還可以得出,當(dāng) n2/n1=0時(shí),即溶劑的粘度ηc為
2、實(shí)驗(yàn)研究
圖1所示為磁性流體粘度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置。從公式(4)分析中可以看出,只有當(dāng)磁場(chǎng)梯度存在的時(shí)候,磁性流體的粘度才會(huì)產(chǎn)生變化。由于溫度對(duì)磁性流體的粘度也會(huì)產(chǎn)生影響,因此,為了能觀測(cè)到磁場(chǎng)對(duì)磁性流體粘度的影響,所以在右圖測(cè)試裝置中另加了一個(gè)溫度計(jì)以確保溫度的恒定,從而可以觀測(cè)出磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致的對(duì)磁性流體的粘度產(chǎn)生影響不是由于溫度的變化而產(chǎn)生的。同時(shí),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(jì)測(cè)試端的觸點(diǎn)所帶來(lái)的誤差。