古埃磁天平法研究ε-Fe3N磁性液体的磁化率和饱和磁化强度
2017-07-06李艳琴张宏剑
李艳琴 张宏剑
(大连大学物理科学与技术学院,辽宁 大连 116622)
古埃磁天平法研究ε-Fe3N磁性液体的磁化率和饱和磁化强度
李艳琴 张宏剑
(大连大学物理科学与技术学院,辽宁 大连 116622)
本文将古埃磁天平法测量ε-Fe3N磁性液体的磁化率和饱和磁化强度增设为物理实验中的设计性、研究性实验项目，通过实验过程中直接感知梯度磁场中ε-Fe3N磁性液体磁增重的变化，学生能深刻理解磁化率和饱和磁化强度的物理内涵，引领学生进行自主学习。低磁场强度83
磁性液体；古埃磁天平；磁化率；饱和磁化强度
磁化率和饱和磁化强度是表征磁性材料磁性能的两个重要参数，饱和磁化强度越高、磁化率越大，表明该种磁性材料的磁性能越强；通过饱和磁化强度和磁化率还可了解组成材料的磁性原子数、原子磁矩等，获得有关磁性材料微观结构的许多信息[1,2]。测量磁性材料饱和磁化强度和磁化率的主要方法是利用振动样品磁强计测量，该仪器价格昂贵，一般是科研机构的专业人员操作，学生无法感知实验过程中磁性材料状态的变化，不利于学生理解物理概念的内涵[3,4]。古埃磁天平是利用材料在梯度磁场中的增重来间接测量磁性材料或络合物的磁化率，结构简单，适合于大学物理的实验教学环节[5]。黄桂萍等人使用古埃磁天平法测量了莫尔氏盐的磁化率，计算了分子中未成对的电子数[6]。因此，本文将古埃磁天平法引入物理实验教学中，用于测量磁性材料的磁化率和饱和磁化强度。
古埃磁天平法要求测量的样品均匀紧密地装入样品管，因此，使用流动性很好的磁性液体作为实验材料。ε-Fe3N磁性液体是近几年发展的一种新型的超顺磁性材料，由于ε-Fe3N颗粒饱和磁化强度高、稳定性好，ε-Fe3N磁性液体得到了广泛的应用[7,8]。因此，本文将古埃磁天平和ε-Fe3N磁性液体引入物理实验中，将科研中的新颖内容增设为设计性、研究性实验项目，引导学生进行自主学习，不断培养学生的创新思维和创新能力[9,10]。
1 实验原理
ε-Fe3N磁性液体是采用大气压介质阻挡放电等离子体合成，按质量比配制7#白油和PBSI-941表面活性剂混合液，超声处理15min，二者充分混合后注入储存室。通Ar置换放电腔内空气，使用高频高压脉冲电源对NH3和Ar放电产生氮的活性粒子，和Fe(CO)5分解生成的铁粒子重新组合生成ε-Fe3N磁性颗粒，融入混合液被表面活性剂包覆后合成ε-Fe3N磁性液体。制备3种磁性液体时，Ar流量为900ml/min， NH3流量为30ml/min，外加电压为6400V，电源频率为20kHz，FP-1、FP-2和FP-3这3种磁性液体的表面活性剂与载液质量比分别为2∶9、2∶10、2∶11。
古埃磁天平测量磁化率和饱和磁化强度的实验装置示意图如图1，将磁极间隙调节为20.0mm，预热10min。所使用的玻璃细管内径9.48mm，高度158.10mm，将磁性液体装入该玻璃管到150.0mm。依次将空玻璃管和盛磁性液体的玻璃管悬挂于分析天平，使管底部正好处于磁极中心线上，即置于磁场强度最强处，玻璃管足够长，其端部的磁场强度可忽略不计，则整个磁性液体样品管处于梯度磁场中，测量室温(20±0.5)℃时磁性液体的磁化率和饱和磁化强度。以两磁极连线的中心为坐标原点，两磁极中心连线方向为x轴，建立如图1所示的坐标系，使试管底端中心放置于坐标原点O处，试管高度为158mm，试管中装约110mm高磁性液体，则样品管就会受到沿y轴方向的作用力。将体积为V、磁化强度为M的磁性液体置于梯度磁场中，磁性液体的静磁能为[11]
(1)
式中，E为磁性液体的位能；μ0为真空磁导率；V为磁性液体的体积；M为磁化强度；H为外加磁场强度。
图1 古埃磁天平工作原理示意图
磁化强度与磁场强度关系式为M=χH，其中χ是磁性液体的体积磁化率，式(1)可变为
(2)
若考虑周围介质空气的磁化，其磁化率为χ0，体积为V0，整个系统的位能表示为
(3)
弱磁性物质的磁化强度很小，故假定退磁场为零，式(3)可写成：
(4)
古埃磁天平示意图如图1所示，线圈半径为100mm，以两磁极连线的中心为坐标原点，两磁极中心连线方向为x轴，建立如图1所示的坐标系。使试管底端中心放置于坐标原点O处，试管高度为158mm，试管中装约110mm高磁性液体，用试管上的两个耳朵把试管吊起来，而线圈的半径为100mm，通过实际测量可知，在线圈外部大约10mm高度部分(即图1中虚线框内的区域)，在x轴方向磁场也是均匀的。因此，磁性液体所处的区域内x轴方向的磁场是均匀的。根据对称性，y方向和z方向是等价的。试管底端中心放置于坐标原点O处，试管平行于y轴，在该区域磁场强度方向正好垂直于y轴，因此对y轴方向的力没有影响。
(5)
式中，S为磁性液体的横截面积；H0为磁极中心的磁场强度。
由于样品管体积很小，因此，空气的体积磁化率χ0可忽略不计，式(5)可写成：
(6)
低磁场强度范围内，磁性液体未达到饱和，以恒定磁化率磁化，χ为常数，式(6)积分得：
(7)
近饱和磁场强度范围内，磁性液体达到饱和，饱和磁化强度Ms为常数，式(6)可写成：
(8)
由分析天平称量磁性液体样品管和空玻璃管在有无外加磁场时的质量变化，即磁增重Δm=m有-m无，则梯度磁场中磁性液体样品所受磁增重可表示为
Fm=(Δm系统-Δm空管)g
(9)
式中，Δm空管为空玻璃管的磁增重；Δm系统为磁性液体样品管的磁增重；g为重力加速度。
联立式(7)、(8)、(9)，可得磁性液体体积磁化率和饱和磁化强度为
2 分析与讨论
图2为磁极中心的磁场强度H0随电流的变化曲线，在0～10.0A范围内，磁场强度和电流呈线性关系；当电流大于10.0A时，磁场强度变弱，可能是由于电流太大，线圈热损耗造成磁能损失，实验时所加电流不超过10.0A。
图2 磁极中心磁场强度随电流的变化曲线图
图3 磁性液体磁增重随磁场强度变化曲线图
分别测量梯度磁场中空玻璃管和磁性液体样品管的磁增重，由式(9)可得不同磁场强度时所测磁性液体的磁增重Fm，FP-1、FP-2和FP-3这3种磁性液体的磁增重随磁场强度变化曲线如图3所示。由图3可知，随磁场强度增强，3种磁性液体的磁增重均逐渐增加，其中FP-1磁性液体的磁增重最大，主要是由于该磁性液体载液质量最小，单位体积内融入的ε-Fe3N磁性颗粒数量最多，其磁性能最强。由磁增重曲线可观察到，在83kA·m-1和332kA·m-1附近存在两个磁增重转折点。
图4 低磁场强度时磁性液体磁增重拟合曲线图
图5 近饱和磁场强度时磁性液体磁增重拟合曲线图
表1为FP-1、FP-2和FP-3这3种磁性液体的磁化率和饱和磁化强度，FP-1磁性液体载液质量最小，单位体积内融入了更多的磁性颗粒，其磁化率和饱和磁化强度最大；随载液质量增加，磁性液体的磁化率和饱和磁化强度均逐渐减小。表1中MsG和MsV分别为使用古埃磁天平和振动样品磁强计测试的饱和磁化强度，古埃磁天平测试的饱和磁化强度稍偏低，影响因素可能有两点：第一，由于受实验条件限制，实验装置中未安装冷却系统，线圈热损耗导致磁场强度降低，影响了实验结果；第二，振动样品磁强计和古埃磁天平测试取样可能导致饱和磁化强度存在微小差异。
表1 3种磁性液体的磁化率及饱和磁化强度
3 结语
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THE RESEARCH OF SATURATION MAGNETIZATION AND MAGNETIC SUSCEPTIBILITY FOR ε-Fe3N-BASED FERROFLUID USING GOUY MAGNETIC BALANCE
Li Yanqin Zhang Hongjian
(College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian Liaoning 116622)
Magnetic susceptibility and saturation magnetization of ε-Fe3N-based ferrofluid are studied by Gouy magnetic balance in this paper, which is added to physics experiment teaching as the comprehensive and designing experimental project. Physical connotation of magnetic susceptibility and saturation magnetization can be a thorough grasp for students by perception of the magnetic weight in a gradient magnetic field, and the students’ ability of self-learning is developed in physics teaching. ε-Fe3N-based ferrofluid is magnetized at a steady magnetic susceptibility within the range of 83 kA/m to 332 kA/m. when magnetic field intensity is more than 332 kA/m, ε-Fe3N-based ferrofluid has a tendency to saturation and saturation magnetization is a constant. Magnetic susceptibility and saturation magnetization of three kinds of ε-Fe3N-based decrease with the increase of carrier liquid’s mass. In comparison with vibrating sample magnetometer, saturation magnetization of ε-Fe3N-based tested by Gouy magnetic balance is on the low side and relative error is less than 2%. Gouy magnetic balance method has a relatively high measurement precision and is suitable to test magnetic susceptibility and saturation magnetization of magnetic materials.
ferrofluid; Gouy magnetic balance; magnetic susceptibility; saturation magnetization
2015-12-21
国家自然基金项目(11605020),辽宁省科学技术计划面上项目(2015020585), 大连大学博士启动项目(20151QL023)。
李艳琴，女，讲师，从事物理实验教学及科教结合工作，主要研究方向为磁性液体的性能及其应用，liyanqin_dlu@126.com。
李艳琴,张宏剑. 古埃磁天平法研究ε-Fe3N磁性液体的磁化率和饱和磁化强度[J]. 物理与工程，2017，27(3)：36-40.
