磁性流體靜力學方程及其應(yīng)用

1、磁性流體靜力學方程及其應(yīng)用摘 要：磁性流體靜力學方程是磁性流體的基本方程之一，是磁性流體應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文從磁性流體在磁場中的受力情況出發(fā)，推導了磁性流體靜力學方程，并利用基本方程分析了長直導線對磁性流體的作用和磁場作用下磁性流體表觀密度的變化。 關(guān)鍵詞：磁性流體 靜力學方程 磁場 引言 磁性流體靜力學方程是磁性流體的基本方程之一，是研究處于靜止或勻速運動的平衡狀態(tài)下磁性流體的力學理論基礎(chǔ)。 本文通過磁性流體在磁場中的受力情況推導磁性流體的靜力學方程，并將基本方程用于分析長直導線磁場對磁性流體的作用以及在磁場作用下磁性流體的密度特性。 1. 磁性流體靜力學方程 其中，為磁性流體的密度，h為磁性流

2、體內(nèi)任意一點到參考點的距離，C為積分常數(shù)，由邊界條件確定。 式（4）是磁性流體靜力學方程2的基本形式，是磁性流體應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。 2. 磁性流體靜力學方程的應(yīng)用實例 （1）通電長直導線對磁性流體的作用 圖1所示為垂直長直導線作用下磁性流體液面的形狀。 由于磁性流體液面上壓強恒定，因此，由公式(4)可以得出 若不考慮h的方向性，那么，式（5）可以寫成 通常情況下，在以長直導線中心線為軸線一定半徑內(nèi)，即 較小時，可以認為磁場較強，磁性流體處于飽和磁化狀態(tài)，其磁化強度近似等于飽和磁化強度，公式(6)可以改寫成 其中，c為常數(shù)。 從公式(9)可以看出，電流一定時，磁性流體的液面隨著距導線中心的距離r增

3、加而降低，其形狀為雙曲線3。 公式(9)是在磁場較強的前提下推導的結(jié)果，但在實際情況中，隨著距離r的增加，磁場的強度將減弱。這樣，在距中心線較遠處的磁性流體就會處于不飽和狀態(tài)，此時就必須考慮磁性流體的非線性問題。 磁性流體中的磁性來源于其中的磁性微粒。磁場對磁性流體液面形狀和分布有一定的影響，同時磁性流體液面形狀反過來對磁場也會產(chǎn)生影響。于是，就存在磁場和力場的耦合問題。通過解耦計算可以求得長直導線作用下磁性流體的截面形狀。圖2所示為電流一定時，載流導體磁場中磁性流體液面沿徑向r變化的數(shù)值計算結(jié)果。 圖3所示為通電長直導線磁場作用下磁性流體液面形狀的照相結(jié)果，計算與實驗結(jié)果相一致?？梢钥闯?，隨

4、著導線通電電流的增加，磁性流體的液面將升高?；谶@一特性可以將磁性流體用于電流傳感4。 （2）磁場作用下磁性流體密度的變化 根據(jù)磁性流體靜力學方程，可以得出 即外加磁場后磁性流體的密度發(fā)生了變化，磁場越強，則密度變化越大。這種由于外加磁場后磁性流體表現(xiàn)出的密度稱為表觀密度。 外加磁場對磁性流體密度的影響可以通過實驗進行驗證，圖4所示為磁性流體表觀密度測試的示意圖。 通過有限元法可以計算出圖4所示線圈產(chǎn)生的磁場，圖5為磁場分布的計算結(jié)果，其中圖（a）通電線圈磁場分布結(jié)果；（b）通電線圈中心軸上磁感應(yīng)強度分布結(jié)果。由于外加磁場與線圈電流成正比，所以計算某一定電流產(chǎn)生的磁場，即可得到磁場與電流的關(guān)系

5、。實驗中將密度已知的非磁性重物置于磁性流體中，線圈通以電流，保持重物在磁性流體中的位置不變，讀取彈簧秤的數(shù)值，即可測出磁性流體的浮力，從而測得磁性流體的密度。 圖6所示為磁性流體密度與磁場強度關(guān)系。其中磁性流體的飽和磁化強度為259Gs，自身密度為1.35g/mm 。從曲線變化趨勢可以看出，隨著磁場強度的不斷增加，磁性流體的密度成比例的增加。利用這一特性可以將磁性流體用于不同密度物質(zhì)的分選，如選礦等。 3.結(jié)論 磁性流體靜力學方程是磁性流體的基本方程，是磁性流體靜力學應(yīng)用的基礎(chǔ)。 長直導線形成的磁場作用于磁性流體時，磁性流體液面的升高與通電電流的平方成正比，同液面到長直導線中心線的距離成反比；

6、其液面形狀為雙曲線形； 在磁場的作用下，磁性流體的密度隨著磁場強度的增大而增加，并且磁性流體的密度同磁場的變化成正比例關(guān)系。 參考文獻： 1 鄒繼斌等. 磁性流體密封原理與設(shè)計. 國防工業(yè)出版社M. 2000 Zou Jibin. Fundametals and Design Method of Magnetic Fluid Seals. M National Defence Industry Press. 2000 2 R.Friedrichs, A.Engel.Statics and dynamics of a Single Freefluid-pesk. The European Physical Journal B. 2000, (18): 329-335 3 Victor Bashtovoi, etc. Magnetic Field Effect on Capillary Rise of Magnetic Fluids. JMMM. 2005, (289): 376