磁場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,磁場對磁性流體微粒的行為也會產(chǎn)生影響,所以磁性流體的粘性同外磁場也有關(guān)。
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(shù);
ηc- 磁性流體基載液體動力粘性系數(shù);
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(jù)Rosensweig公式計算,即
通常,磁性流體基載液體的動力粘性系數(shù) 是溫度的函數(shù)。因此,磁性流體的動力粘性系數(shù) 也是溫度的函數(shù),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(huán)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(xiàn)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(chǎn)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(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(biāo)的x、y和z函數(shù),那么磁性流體的粘度在空間每一點上均發(fā)生變化。如果下列三式均成立,
即磁場強度梯度為常數(shù),磁性流體的粘度在所有區(qū)域均相同。同時,從方程(4)中還可以得出,當(dāng) n2/n1=0時,即溶劑的粘度ηc為
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(dāng)磁場梯度存在的時候,磁性流體的粘度才會產(chǎn)生變化。由于溫度對磁性流體的粘度也會產(chǎn)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(dǎo)致的對磁性流體的粘度產(chǎn)生影響不是由于溫度的變化而產(chǎn)生的。同時,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。