神奇的磁性液體

你可能見過形形色色的磁鐵，你可能玩過用磁鐵吸引鐵屑，這隔空的吸引力是不是給你的童年帶來諸多美好的回憶呢？如果有人告訴你，除了這些常見的固體磁性材料外，現在還有一種以液體形式存在和使用的磁性材料，你是否會覺得不可思議呢？看到下面的“花”了嗎？如果告訴你下面的“花”是液體，你是不是覺得匪夷所思呢？

沒錯，下面的“花”確實是液體，而且是像鐵屑、小磁針等可以跟隨磁鐵擺出任意形態的液體。

你對浮力了解多少呢？我們已經知道木塊能夠浮在水面上是浮力的作用。可是，你若看到實心的鋁塊在液體中懸浮起來時，你會不會驚訝呢？

在一個燒杯中注入一定量的這種液體，將一個實心的鋁塊放入液體中，鋁塊沉到了燒杯底部，這時候在燒杯的下面放一個磁鐵，就會發現鋁塊奇跡般地浮了起來。如果我再告訴你鋁塊的密度比放入的液體密度大得多，你是不是都要懷疑你的常識了呢？

以上所發生的這些奇異現象，絕非是什么魔術，它正是磁性液體所產生的神奇現象。那么，現在的你是不是很想知道這種液體到底是什么呢？它又有什么神奇作用呢？

好的，下面我們就開始揭開磁性液體的神秘面紗。

所謂磁性液體，是一種既能像液體一樣流動，又能像固體磁性材料一樣被磁場吸引的膠體溶液。將直徑在10nm以下的固體磁性顆粒通過一定的技術手段使其均勻地分布于水、煤油等液體當中，就形成了我們所說的磁性液體了。這種固體磁性顆粒通常為鐵磁性顆粒，例如四氧化三鐵顆粒。

我們將水、煤油等可以使得鐵磁性顆粒均勻、穩定地分布于其中的液體叫作基載液。

磁性液體應具有足夠的穩定性，它在重力和磁場的長期作用下也不會發生團聚和沉降。

磁性液體的組成

為了能夠達到這樣的性能， 我們在納米級的固體磁性顆粒周圍包覆一層能夠防止固體顆粒相互結合的物質，我們將這種包覆的物質叫作表面活性劑。磁性液體能夠表現出各色各樣的現象得益于磁性液體獨特的物理性質。

固體磁性顆粒吸附表面活性劑

磁性液體的用處可廣了，可以作為傳感器、潤滑劑、揚聲器，可用于醫學、印刷產業，還可以發電呢！

磁性液體發電

我們都知道，電能在生產和使用過程中比其他能源更容易調控， 因此，它是最理想的二次能源。發電就是利用動力裝置將水能、石化燃料的熱能、核能以及太陽能、風能等轉換為電能，用來供應我們生活之需。

一般的發電方法都會產生大氣污染以及熱污染，對環境十分有害，而利用磁性液體來發電是一種新的發電模式，它具有效率高、環境污染小等優點。如下圖所示，左側有機玻璃管兩邊加有勻強磁場，用導線將兩電極外側與外接負載相連，磁性液體經測試管道流下，經過磁場時作為導電流體做切割磁感線運動，兩電極之間將產生電勢差，從而產生感應電流。磁性液體在流動過程中，經過流量計記錄其流速，當液體流到底部時被水泵抽到上面，再通過換熱管調節流體的溫度。整個循環系統通過恒溫器和換熱管調節溫度，與換熱管相連的恒溫器用來控制恒溫器下水槽內水的溫度，水槽中的水和換熱管外筒里的水進行不斷循環，保證經過換熱管內筒的磁性液體的溫度和恒溫器的溫度一樣。

磁性液體發電機工作示意圖

磁性液體在發電方面還有一種特別的應用，就是基于磁性液體二階浮力原理的振動發電技術，通過發電體在三維空間的簡單懸浮運動，它可以接受任意方向的振動能。

下面介紹一下振動發電裝置的結構設計原理，通常是在非導磁性耐沖擊材料構成的容器中，裝有高濃度、高穩定性、低黏度（礦物油基）的磁性液體，利用磁性液體的二階浮力原理，液體中央懸浮永磁體，永磁體被特定的減阻材料包覆。容器外壁放置維度線圈，線圈引線端與負載及指示燈連接成回路。該裝置接受外界的振動時會引起永磁體與外圍線圈的相對運動，使線圈回路的磁通量發生變化，從而產生感應電動勢，形成感應電流，此為一個單元的發電，若將多組發電單元連接，即可實現陣列化發電。線圈引線端口固定于容器外壁，該端口可檢測線圈的發電狀態。線圈內部添加鐵芯，鐵芯底端有霍爾元件，霍爾元件引線端口固定在容器外壁，該端口可檢測磁變化。

基于磁性液體二階浮力原理的振動發電裝置

內部永磁體的振動頻率越快，穿入線圈的磁通量隨時間的變化率越大，對應的輸出電壓越大。此裝置可為家庭式間歇使用的電子產品供電，也可將其置于特定環境中間接消除振動能，轉有害能量為可利用資源。而且其內部沒有固定連接結構，只是簡單懸浮，只要容器的抗沖擊能力強，一般不會造成發電體系的損壞。

本文由王芳摘編自李德才著《神奇的磁性液體》（科學出版社, 2016）一書第1、3章部分，內容有刪節。

磁性液體是一種既能像液體一樣流動又能像固體磁性材料一樣被磁場吸引的膠體溶液。將直徑小于10nm的固體磁性顆粒通過一定的技術手段使其均勻地分布于水、煤油等液體當中，就形成了磁性液體。磁性液體以其獨特的性質，例如對磁場的響應特性、熱學特性以及光學特征等，使其在工業、航空航天，甚至醫學、藝術領域都有其獨特的應用。本書用通俗的語言向人們介紹了神奇的磁性液體，揭開其神秘的面紗。

本書適合物理、力學、機械等專業相關領域本科生閱讀學習，也適合中學生課外閱讀拓寬知識面，對磁性液體有興趣的科研工作者和一般愛好者亦可閱讀。

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