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磁性液体二阶浮力原理的实验研究.pdf

花匠小妙招
2025-01-05 03:04

磁性液体二阶浮力原理的实验研究.pdf

何新智等:磁性液体二阶浮力原理的实验研究
磁性液体二阶浮力原理的实验研究
何新智2,毕树生',李德オ2,杨文明2
北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191
2.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京10044)
摘要:磁性液体的浮力原理是磁性液体静力学中浮力的变化],无感应近似条件下球形永磁体在盛满
最具吸引力的效应之一。浸没于磁性液体中的永磁体磁性液体的球形容器中的运动轨迹切,以及这种情况
受到的浮力大于阿基米徳浮カ,这个差値称之为磁性下多种参数对磁悬浮力的影响规律等。而对于工
液体的二阶浮力。磁性液体的二阶浮力的计算由于涉程实践中经常应用約圆柱形水磁体的情况, Blums在
及磁场计算的复杂性而变得因难。数值计算也有太多假设磁性液体磁导率为恒定的条件下,计算得到无限
的假设条件。用实验的方法首先形象地展示了永磁体长圆柱形永磁体在具有柱面边界的磁性液体中受到的
在磁性液体中的悬浮,而后测定了在不同直径的圆柱径向磁悬浮力的级数表达式1;曹东等应用有限元方
容器中、不同尺寸的永磁体漫没于不同饱和磁化强度法计算了圆柱形永磁体在柱形容器中某一确定位置受
的磁性液体中所受到的轴向二阶浮力随永磁体与容器到的径向磁悬浮力”。而对于浸没在磁性液体中的
壁相对位置的定量变化关系曲线,分析了不同的因素圆柱形永磁体所受到的轴向磁悬浮力的大小测量及影
对这种变化关系的影响规律
响因素的分析则未见报道。本文用实验的方法测定了
关键词:磁性液体;浮力;静力学
浸没于磁性液体中的永磁体所受到的轴向二阶浮力的
中图分类号:O361.3
文献标识码:A大小,并分析了各个参数对浮力大小的影响规律
文章编号:1001-9731(2012)21-3023-05
2二阶浮力原理的定性分析
1引言
磁性液体的浮力原理可以这样来理解,如图1(a)
磁性液体是一种新型的功能材料,它既具有液体所示,柱形容器中充满磁性液体,由于没有磁场存在
的流动性又具有固体磁性材料的磁性,在磁场的作用磁性液体内的压力恒定。图1(b)给出沿轴向均匀充
下,呈现出许多普通液体所没有的特性。磁性液体的磁的柱形永磁体的磁场分布。将这个永磁体置于图1
浮力原理是磁性液体静力学中最貝吸引力的效应之(a)中磁性液体的对称中心点处,如图1(c)所示,这时
一,根据此原理,可以进行采矿和治金行业的不同物质尽管永磁体的磁场改变了磁性液体中的磁压力,但液
的沉浮分离-),还可以设计出新型的磁性液体传感体压力在永磁体表面上仍对称分布,磁性液体对永磁
器)、阻尼减振器和轴承?等。
体总的作用力为零。当永磁体偏离中心位置时,如图
磁性液体的浮力原理包括一阶浮力原理和二阶浮1(d)所示,由于磁性液体的磁导率比其周围非导磁介
力原理。…阶浮力原理是指磁性液体在磁场的作用下质的磁导率要大,这样靠近器壁的一端磁力线将被压
可以将比重比磁性液体大的非磁性物质悬浮起来;ニ缩,即在离中心较远的永磁体端面上的磁场变强,磁性
阶浮力原理是指磁性液体可以将浸在其中的比重比磁液体在磁场较强的地方产生的磁压力也较大,所以永
性液体大的永磁体悬浮起来。本文主要研究磁性液体磁体将受到一个指向中心点的回复力F,这个力F即
的二阶浮力。磁性液体的二阶浮力现象是由 Rosens-为磁性液体的二阶浮力。从以上的定性分析可以看
weig最先发现的,,后来他根据最一般情况时磁性出,浸没于磁性液体中的永磁铁受到的磁性液体的磁
液体内的应力张量推导得到由磁场变量表示的永磁体压力可能与磁性液体的磁化强度、永磁铁的磁性能、容
在磁性液体中所受磁悬浮力的面积分表达式?。而对器直径、磁性液体的高度等因素有关。
于任意形状永磁体在确定边界的磁性液体中所受到的
确定数值的磁悬浮力的计算由于磁场分布的复杂性而3实验装置及步骤
及其困难。迄今,除了得到有限几种形状永磁体受到3.1X射线衍射实验8
磁悬浮力的实验结果外,研究成果主要集中于球形
常见的磁性液体为黑色,肉眼观测不出永磁体在
和圆柱形永磁体的情况,例如,球形边界时处于磁性液其中的分布情况,所以用X射线衍射拍摄透视照片可
体中心区域的球形永磁体在小扰动作用下受到的磁悬以形象展示永磁体的悬浮。实验用烧杯容积为
x基金项目:国家自然科学基金资助项日(60471004)
收到初稿日期:2(012-05-02
收到修改稿日期:2012-07-29
通讯作者:何新智
作者简介:何新智(1979一),男,陕西渭南人,博士后,师承李德才和毕树生教授,从事纳米磁性液体的理论和应用研究。
M科
2012年第21期(43)卷
140mL,盛有50mL的煤油基磁性液体(ρ=1.18g/以看出,水磁体稳定悬浮于密度比其小的磁性液体中,
cm3)。盘型永磁体采用钕铁硼永磁材料N38(p由于重力的存在,水磁体在磁性液体中的位置偏下;由
=7.51g/cm),体积为O21mm×4mm。永磁体浸没图2(b)可以看出,永磁体远离容器器壁,水磁体的轴
在磁性液体中,其X射线衍射透视照片如图2所示,图线与容器的轴线重合,沿周向受到的磁压力平衡。
2(a)、(b)分别为侧视照片和俯视照片。由图2(a)可
S
(b)
图1永久磁铁在磁性液体中的悬浮
Fig 1 The suspension of permanent magnet immersed in magnetic fluid
设实验时电子天平的测量值为质量m,铁架和
绳子的质量和为m1,则绳子上的拉力为:
F
测
21g
(3)
又有
F1=p液gV体,G=m体g
把式(3)和(4)代入式(5),得:
F
g-P液gV
g
g)(5)
考虑到上式右边各项都有加速度g的存在,不妨
(a)侧视照片
g
这里m是水磁体在磁性液体中所受磁浮力的当
量质量,它的变化趋势和悬浮力F的变化趋势相同
の=m磁体一P液V体一(m画一m1)(6)
实验中当m=m1时,即m=m磁体一9V体,这
时永磁体悬浮在磁性液体中,把这时永磁体的位置坐
标x记为0,磁铁相对容器上移,坐标x数值增大。于
(b)俯视照片
是,通过改变支撑物高度就可改变磁铁的位置坐标。
图2永久磁铁悬浮于磁液中的X射线衍射照片
根据当量质量m随磁铁的位置的变化曲线,就可以比
Fig 2 The X-ray photos of permanent magnet suspen
较清晰地观察出磁性液体悬浮力的变化规律。
ding in magnetic liquid
3.2悬浮力测定实验
电子天平
如图3所示,容器中盛着一定量的磁性液体,永磁
支架
体悬于磁性液体中,其上部连接有绳子,绳子另一端与
架在电子天平上的支架相连,用来测量绳上的拉力。
细绳
容器的下方有升降台,通过改变升降台的高度,能够改
磁性液体
水磁体
变水磁体在磁性液体中的相对位置。通过电子天平测
容器
量它们相对位置变化后的力的大小。以永磁体为研究
升降台
对象,受力分析如图4所示,永磁体受重力G,普通液
图3悬浮力测定实验装置示意图
体浮力F1,磁性液体悬浮力F和线给磁铁的拉力F2,Fi
ig 3 The sketch of e