神奇的磁性液体

你可能见过形形色色的磁铁，你可能玩过用磁铁吸引铁屑，这隔空的吸引力是不是给你的童年带来诸多美好的回忆呢？如果有人告诉你，除了这些常见的固体磁性材料外，现在还有一种以液体形式存在和使用的磁性材料，你是否会觉得不可思议呢？看到下面的“花”了吗？如果告诉你下面的“花”是液体，你是不是觉得匪夷所思呢？

没错，下面的“花”确实是液体，而且是像铁屑、小磁针等可以跟随磁铁摆出任意形态的液体。

你对浮力了解多少呢？我们已经知道木块能够浮在水面上是浮力的作用。可是，你若看到实心的铝块在液体中悬浮起来时，你会不会惊讶呢？

在一个烧杯中注入一定量的这种液体，将一个实心的铝块放入液体中，铝块沉到了烧杯底部，这时候在烧杯的下面放一个磁铁，就会发现铝块奇迹般地浮了起来。如果我再告诉你铝块的密度比放入的液体密度大得多，你是不是都要怀疑你的常识了呢？

以上所发生的这些奇异现象，绝非是什么魔术，它正是磁性液体所产生的神奇现象。那么，现在的你是不是很想知道这种液体到底是什么呢？它又有什么神奇作用呢？

好的，下面我们就开始揭开磁性液体的神秘面纱。

所谓磁性液体，是一种既能像液体一样流动，又能像固体磁性材料一样被磁场吸引的胶体溶液。将直径在10nm以下的固体磁性颗粒通过一定的技术手段使其均匀地分布于水、煤油等液体当中，就形成了我们所说的磁性液体了。这种固体磁性颗粒通常为铁磁性颗粒，例如四氧化三铁颗粒。

我们将水、煤油等可以使得铁磁性颗粒均匀、稳定地分布于其中的液体叫作基载液。

磁性液体应具有足够的稳定性，它在重力和磁场的长期作用下也不会发生团聚和沉降。

磁性液体的组成

为了能够达到这样的性能， 我们在纳米级的固体磁性颗粒周围包覆一层能够防止固体颗粒相互结合的物质，我们将这种包覆的物质叫作表面活性剂。磁性液体能够表现出各色各样的现象得益于磁性液体独特的物理性质。

固体磁性颗粒吸附表面活性剂

磁性液体的用处可广了，可以作为传感器、润滑剂、扬声器，可用于医学、印刷产业，还可以发电呢！

磁性液体发电

我们都知道，电能在生产和使用过程中比其他能源更容易调控， 因此，它是最理想的二次能源。发电就是利用动力装置将水能、石化燃料的热能、核能以及太阳能、风能等转换为电能，用来供应我们生活之需。

一般的发电方法都会产生大气污染以及热污染，对环境十分有害，而利用磁性液体来发电是一种新的发电模式，它具有效率高、环境污染小等优点。如下图所示，左侧有机玻璃管两边加有匀强磁场，用导线将两电极外侧与外接负载相连，磁性液体经测试管道流下，经过磁场时作为导电流体做切割磁感线运动，两电极之间将产生电势差，从而产生感应电流。磁性液体在流动过程中，经过流量计记录其流速，当液体流到底部时被水泵抽到上面，再通过换热管调节流体的温度。整个循环系统通过恒温器和换热管调节温度，与换热管相连的恒温器用来控制恒温器下水槽内水的温度，水槽中的水和换热管外筒里的水进行不断循环，保证经过换热管内筒的磁性液体的温度和恒温器的温度一样。

磁性液体发电机工作示意图

磁性液体在发电方面还有一种特别的应用，就是基于磁性液体二阶浮力原理的振动发电技术，通过发电体在三维空间的简单悬浮运动，它可以接受任意方向的振动能。

下面介绍一下振动发电装置的结构设计原理，通常是在非导磁性耐冲击材料构成的容器中，装有高浓度、高稳定性、低黏度（矿物油基）的磁性液体，利用磁性液体的二阶浮力原理，液体中央悬浮永磁体，永磁体被特定的减阻材料包覆。容器外壁放置维度线圈，线圈引线端与负载及指示灯连接成回路。该装置接受外界的振动时会引起永磁体与外围线圈的相对运动，使线圈回路的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，形成感应电流，此为一个单元的发电，若将多组发电单元连接，即可实现阵列化发电。线圈引线端口固定于容器外壁，该端口可检测线圈的发电状态。线圈内部添加铁芯，铁芯底端有霍尔元件，霍尔元件引线端口固定在容器外壁，该端口可检测磁变化。

基于磁性液体二阶浮力原理的振动发电装置

内部永磁体的振动频率越快，穿入线圈的磁通量随时间的变化率越大，对应的输出电压越大。此装置可为家庭式间歇使用的电子产品供电，也可将其置于特定环境中间接消除振动能，转有害能量为可利用资源。而且其内部没有固定连接结构，只是简单悬浮，只要容器的抗冲击能力强，一般不会造成发电体系的损坏。

本文由王芳摘编自李德才著《神奇的磁性液体》（科学出版社, 2016）一书第1、3章部分，内容有删节。

磁性液体是一种既能像液体一样流动又能像固体磁性材料一样被磁场吸引的胶体溶液。将直径小于10nm的固体磁性颗粒通过一定的技术手段使其均匀地分布于水、煤油等液体当中，就形成了磁性液体。磁性液体以其独特的性质，例如对磁场的响应特性、热学特性以及光学特征等，使其在工业、航空航天，甚至医学、艺术领域都有其独特的应用。本书用通俗的语言向人们介绍了神奇的磁性液体，揭开其神秘的面纱。

本书适合物理、力学、机械等专业相关领域本科生阅读学习，也适合中学生课外阅读拓宽知识面，对磁性液体有兴趣的科研工作者和一般爱好者亦可阅读。

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