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磁场对温度计中汞的
体积影响的实验
朱 林 （大庆油田建设设计研究院 高级工程师）
一、前言
几十年来，磁处理技术先后在许多领域得到确有成效的应用，但是其机理研究却处于停滞状态，其原因主要有两个方面，一是实际应用取得的对抗磁性物质磁处理作用效果在目前的认识上难以理解，二是研究的磁处理介质，如水或油体系等影响因素复杂，实验条件不易完全控制，重复性很差。因此，是否有磁处理效应一直处于争论之中。为了能够在只有磁场作为影响因素的条件下，研究抗磁性物质的磁处理效应，我们采用精密水银温度计（最小分度值0.1摄氏度）为试验体，研究磁场对它的影响。
二、实验方法和观测结果
1、取一只水银温度计，测量出恒定的室内温度，然后在这只温度计置入由永久磁体建立的磁场中，观察到温度计显示的温度上升。当显示的温度不再继续上升时，再撤去所加的磁场，升高的温度又缓慢下降，直至恢复到原来的室温。
2、取两只水银温度计测量出同一室温度，然后给其中一只温度计下端施加磁场，再与另一只温度计进行比较，观测到磁场中的温度计显示高温升高。
3、把一只水银温度计长时间放置到磁场中，然后再撤去磁场，温度计显示温度下降。
水银温度计显示温度的变化与磁感应强度的关系，是两块磁铁为N-S相对排列或由一块磁铁产生磁场。（见附图）
改变两块磁铁的磁极排列方式为相斥的S-S型，测得在此磁场中水银温度计显示温度的变化见下表。
三、实验结果讨论
从实验结果可以看出，磁场中水银温度过显示温度的升高与磁感应强度和磁极排列方式有关。在磁极排列为N-S型的磁场中，在磁感应强度为20-300MT范围内，水银温度计显示温度的升高不随磁感应强度的增加而变。在磁极排列为S-S型磁场中，尽管中心磁场很低，但温度计的升高程度却比在N-S型较高磁场中大。
水银温度计在磁场中升高的程度远远大于水银受磁场的排斥作用和水银吸收磁能的理论计算结果，说明磁处理可能是使水银分子或分子间的作用发生了改变，从而导致水银体积膨胀。
水银温度计显示温度变化数据表
编
号
空白时
温度（摄氏）
磁场中
温度（摄氏）
恢复后
温度（摄氏）
说 明
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
23.80
23.80
23.90
25.20
24.0
24.20
23.70
23.90
24.20
24.20
24.20
25.20
25.50
24.30
24.50
25.0
24.10
24.30
24.00
23.90
23.90
24.90
25.20
24.30
24.60
24.10
相斥时两磁极表面场强:
130MT、150MT，极间距1.4CM
相斥时两磁极表面场强:
60MT、60MT，极间距1.4CM
相斥时两磁极表面场强:
87MT、54MT,极间距2.0CM
相斥时两磁极表面场强:
143MT、90MT、极间距1.0CM
《磁能应用技术》 1990年第2期（季刊）总第10期 第20页转19页
作者简介：朱林，60年出生，大庆油田建设设计研究院高级工程师，83年毕业于东北师范大学物理系，84年－85年在浙江大学进修，在科技刊物上发表学术论文20余篇，获国家专利5项。邮编 163712
《磁能应用技术》 主办：中国石油化工总公司磁能应用技术开发协作组队 期刊登证：辽宁省报刊准印证（LN）内字035号 编辑：《磁能应用技术》编辑部 广告经营许可证：沈工商广临字 第9号 主编：谢国佳 副主编：耿殿雨、李沈生 编辑部地址：沈阳市和平区和平南大街2号 编辑部电话：366585-304 邮政编码：110001
无序、有序与磁处理
单忠明 （洛阳石化工程公司设备研究所）
摘要
以磁处理效应的松驰性和多极性为出发点，结合物质结构理论，揭示出由于磁场的作用，液体介质的结构在无序与有序间转换，引起介质性的变化。并在此基础上，详细分析了影响磁处理效果的各种因素，对实际生产和应用有一定的指导意义。
关键词：磁处理，分子排列，无序，有序，有序度。
前言
磁处理技术研究的不断深化，使人们对磁处理过程，磁场与介质间关系的认识达到了一个新的高度，提出了一系列磁处理机理理论。但是几乎所有这些理论都仅仅反映了个别外在的现象，无法全面解释磁处理技术应用的整体效果。
磁处理效应的松驰性和多极值是磁处理技术最基本的特点，[1]一个正确的理论应能够正确地表达这两个特点。
本文针对上述两个特点，结合物质结构理论，论证了磁处理引起介质特性变化的物理内涵，给磁处理理论增添了新的内容。
一、介质特性变化的物理内涵
液体的结构是密集而又无序的[2]。在磁场中，由于分子的磁性，受到磁化产生附加磁矩，形成定向排列，使液体的结构趋于有序。
通常进行磁处理的介质属于分子液体，介质分子间起主要作用的是范德华力。范德华力特点之一是无方向性，说明介质他子排列上变化不会造成介质整体能量太大的变化，也说明改变分子的排列不需要很大的能量，普通场中也能实现。
范德华力的另一个特点是无饱和性，也就说，一个分子周围会集尽可能多的分子。处理前液体的无序结构为分子的集聚提供了多的机会。而在磁场中，由于分子排列有序要求，一个分子周围联接的分子数受到了限制，使部分分子间的距离增大。文献[3]中提供以下两点依据：
Buinal提出的液体物理模型棗不规则密排列结构中，与一个分子直接联接的分子数均为13．6。而规则排列结构中，这个数最大12。
N个分子组成的液体系统中，径向分布函数：
G(r)~V平方除以Q1．．．．．． （１）
Ｑ１＝．．．．．． （２）
式中U为分子间的总位能。
在磁场中，液体分子形成有序排列，分子间相互作用的位能较无序排列时降低，从而使分子间距离增大（位能降低对分布函数的影响与温度升高的的影响相同）。
分子间距离增大，导致范德华力减弱，宏观上表现为液体的密度、粘度降低，表面张力减弱。文献[4]中介绍了一个非常直观的例子：磁场中温度计内汞的体积增大。本文作者也曾使用汞和煤油温度计做过实验，得到了相同的结果，说明在磁场中，汞和煤油的密度降低了。
介质的性质是与其结构密切相关的，结构上的任何改变都会反映在其性质的变化上。也就是说，磁场的作用使液体介质的结构由无序变为有序，导致分子间力减弱，介质特性改变。
二、介质特性变化的规律
前一部分所讲的是介质在磁场中的状态，而磁处理后介质的特性、结构有序还是无序才是我们最关心的，磁处理效果的好坏就表现在这里。因此有必要对整个磁处理过程进行分析。
介质进入磁场的过程
磁处理前，介质的结构是无序的，分子取向在空间各方向上几率相同。受到磁场作用时，介质分子产生附加磁矩，趋于沿磁场方向（或反向）取向。而分子自身的热振动要扰乱这种取向。两种作用的结果造成分子实际取向与磁场方向呈某一空间角度，由于磁矩的取向是量子化的，[5]因此这一角度就只能是一系列分立值a1,a2...an,且a1<a2<...<an。
分子附加磁磁矩受到的转矩
Tm=u0xH2sina aj=a1,a2, ... an （3）、：可见，在给定强度的磁场中，一定能量的分子只能取一个角aj。磁场强度小，取向角aj大；磁场强度大，则取向角小。
介质分子的能量是不相同的，因此，在一定的磁场中，他子的取向角就不一致。并且，取向角是相对于磁场方向的空间角，既使是能量相同的分子，取向角虽然相等，其空间取向也不一定一致。磁场弱时，这种不一致造成的分子取向差异大，分子排列的有序程度——有序度低。磁场增强时，所有分子的取向角减小，取向差异也减小，有序度得以提高，直到磁场增强到使所有分子取向最小的角度aj，有序度达到最大值。
然而，介质分排列的有序度并非随磁场强度线性变化。这主要由两方面因素决定：第一，虽然介质分子的能量不同，但其中大多数外于较低的能级，能量大小相当；第二，分子磁矩在磁场中的取向是量子化的。由此便可得知，在一定强度的磁场中，能量相当的大多数介质分子取向相同，比如取向aj。然后增强磁场，开始时磁场强度的增加不不足以使分子取向改变为aj-1，因此分子排列的有序度就不再有大的变化，形成图1中曲线1上的平台，直到磁场强度增至一定值，分子取向才能改变。由于分子的能量毕竟不完全相等，所以分取向的改变是逐步实现的，有序度也逐步增加，直到这些分子全部取向aj-1，如图1曲线1，接下来又重复以上过程，待所有分子都取向最小角a1，分子排列达到最大有序，有序度达最大值。形成介质分排列的有序度随磁场强度阶梯式增加的变化规律。
2.介质离开磁场的过程
介质离开磁场时，由于磁场分布的变化，他子受到的转矩Tm也发生改变，引起分子取向偏转。同时，分子间的相互作用阻碍它偏转，形成阻力矩Tf。虽然有磁矩取向量子化的要求，但由于分子离开磁场的过程持续很短，所以，分子转动的运动力学特性更为突出，也就是说，分子受到的转矩和阻力矩对他子取向偏转的影响比磁矩取向量子化的影响更大，假设分子为刚性结构，那么，他子离开磁场时偏转角度 。
... ... (4)
式中 为分子的转动惯量。分了平动速度V，运动距离 ，则；
... ...（5）
... ...（6）
分子离开磁场后偏转的角度
... ...（7）
... ...（8）
ai是分子磁矩与磁场方向的夹角,此时,它不等于分子的取向角aj。
转矩Tm是引起分子取向偏转的动力，是由磁场梯度的存在而产生的。阻力矩Ti是伴随分子的转动而产生的，与介质的特性、分子排列及分子偏转角有关，而与磁场强度没有直接联系。它反映介质对分子排列的维持能力，阻力矩大，分子离开磁场时偏转小，分子排列得好的维持，反之则不能得到好的维持。
总的来看，偏转角随着磁场强度的增大而增大，近似于一二次曲线。由于磁场出口处介质流速和在职的分布都很不均匀，流速低的管壁区域场强、梯度大，流速高的中间部位磁场弱，梯度小，造成不同位置处的分子偏转角不同，分子取向产生紊乱，有序度降低，磁场越强，降低的幅度越大，如图1中曲线2所示。
3.磁处理后介质的特性
将图1中曲线1与曲线2叠加所得到的曲线3,就是介质经磁处理后分子排列有序度与磁场强度的关系。可见，这种关系呈多极值特性。从前面第一部分析知道，介质粘度、密度、表面张力的变化与分子排列的有序变化相反，即有序度提高，介质粘度等降低；有序度降低，则介质粘度等提高。这一关系表示为曲线4。从而得出：介质粘度、密度和表面张力在磁处理后的变化与磁场度也表现为多极值性。这一点与实验所揭示的规律恰恰一致。也就是说，对一介质进行磁处理时，并非磁场愈强，效果愈显著，而存在着一些最佳的强度值。
图1、磁处理对介质分子排列的影响磁处理特性曲线
介质分子有有序排列是由磁场对分子磁矩的作用而形成的。一旦介质离开磁场，这种作用消除，分子热振动的影响突出出来，它将破坏已形成的分子的有序排列，使其恢复到处理前的无序状态。这就是磁处理效应楹弛性的实质。松弛时间的长短主要由分子间力、介质特性决定。
介质的特性是由其结构决定的，结构的任何变化必然表现为特性的变化。因此可以得出：
磁处理后介质特性（如密度、粘度、表面张力等）的变化是相伴发生的，由一咱特性的变化就可以推知另一种或几种特性的变化。
三、影响磁处理效果的因素
由式（7）、（8），介质离开磁场分子取向偏转的角度。
... ... （9）
式中L为分子运动方向上磁场分布区域的长度。介质进入磁场过程中分子取向的变化也有类似的关系式，反映分子由初始无序状态的取向转动到可能的取向所转过的角度：决定转动过程所经历的时间。
可以看出，介质的特性、流动状态、磁场特征影响分子的取向（排列）及取向变化，从而影响处理的效果。这些因素的影响是两方面的，即同时影响介质进、出磁场过程的分子排列。
1.介质的物性
（1）状态：液体介质的磁处理效果已经为大量的实验所肯定。对于气体介质来说，由于分子间相互作用非常弱，在磁场中容易形成有序排列，但在离开磁场时，分子取向也容易改变，很快又恢复无序状态。因此，对气体介质进行磁处理通常是无效的。
（2）分子量和分子结构：决定分子的转动惯量。分子量大，转动惯量大，分子完成取向时间长，要求磁程长。而在离开磁场时偏转小，对有序排列维持能力强。分子量小则结论相反。
（3）磁性：反映介质分子沿磁场方向取向的能力。一般来讲，磁化率高的介质比起磁化率低的介质，同样磁场产生的附加磁矩大，分子排列的有序度相应较高。另一方而，磁化率高，介质离开磁场时，梯度对分子排列的破坏大，而对于磁化充低的介质，破坏就小。
（4）粘性：是介质分子间相互作用的宏观表现，反映介质分子沿磁场方向的取向速度及产生阻力矩、维持分子排列的能力。粘性强，取向速度慢，要求处理时间长，但离开磁场时对分子排列的维持能力强。粘性弱，取向速度快，需要的处理时间短，但对分子排列的维持能力弱。
介质物性对磁处理效果的影响是相互关联着的。如：对于分子量大、粘性强、磁性弱的介质，只有强磁场、长磁程处理才可能取得好的效果；相反，对于分子量小、粘性弱、磁性强的蛤质，使用弱磁场、短磁程处理就可能见到好的效果。
2.磁场强度
是影响磁处理最重要的因素,是实现介质分子排列有序的前提条件.磁处理的效果与磁场强度并非单值对应,而是多值关系。磁处理装置最佳的磁场强度与它所处理的介质密切相关，不同的介质要求的磁场强度不同。因此在设计磁处理装置时，掌握介质的磁处理特性曲线（图1曲线4）是选择最佳磁场强度的关键。
3.处理时间和介质流速
二者是密切相关的。对于一台装置。流速就决定了处理时间。而处理时间又可以通过装置的磁程来调节。介质分子要实现有序排列，除了需要适当的磁场强度处，还需要足够的处理时间来保证，或降低流速，或增加磁程。但是，为了维持介质有序的状态，减少离开磁场时分子的偏转，提高流速是有益的。因此，在保证有足够的处理时间的前提下，流速越高，处理的效果越好。另外，介质流速的选择还要考虑到工艺上的要求和装置的成本。
4.磁场梯度
在介质离开磁场时,磁场梯度影响其分子附加磁矩的取向,对分子排列产生扰动。在式（9）中通过ai来体现。可见，提高磁场出口处的梯度，ai角减小，有益于减小分子偏转，降低对分子排列的破坏，提高处理效果。
5.介质温度
介质温度主要影响介质的物性，进而影响磁处理的效果。如温度升高，液体介质粘度降低；而温度降低，液体介质粘度增加等。
6.介质中的杂质
普通的油和水中含有许多无机盐类、气体及微生物等可溶、不可溶的杂质，这些杂质对介质磁处理的影响是非常复印杂的。杂质的存在首先是引起介质分子排列的畸变；其次是，如果杂质分子与介质分子间形成稳定的络合物或强的化学健，将不可避免地造成介质性质的改变；再次，杂质的磁特性与介质磁特性可能有很大的差异。这些都会对磁处理产生有利或不利的影响。
由此看来，如此繁多的因素相互交识，对磁处理的效果起着这样或那样的作用，在实际应用中，条件稍有变动便得出截然不同的结果就不难理解了。
四、总 结
到目前为止，对于液体介质在磁场中分子排列有序观点的认识都不是直接的，而是通过对已有实验现象分析得出的。但是，磁场对液晶排列取向的影响已经为X射线衍射实验所肯定。[6]因此，如果能通过实验确定磁场中及处理后介质的结构形式，其意义将是巨大的。
文中只是定性地分析了磁处理的机理及影响因素，基本上能够反映奕用中的真实性况。当然，对于某些特殊的现象，可能还难以作出解释，这也可以理解，因为，影响磁处理的因素相当复杂，尤其是杂质的存在，其影响难以预料；况且，有些结果由于实验条件控制不严格，本身就不可靠。也应承认，任何理论都有局限和欠缺，需要不断地发展完善。
尽管如此，对于以后磁处理技术的研究和应用；磁处理装置的设计依据、标准的建立，啊佳工艺条件的选择等，本文仍具有一定的指导作用。
参考文献
Ｂ．Ｎ、克拉辛，《磁化水》，计量出版社 １９８２
Ａ．记尼叶，《物质结构》，科学出版社 １９８５
N.Muiiell and E.A.Boudiei,Propeities of liguids and salutions,Johu Wiley Qsons Ltd.,1982
朱林，“磁场对温度计中汞的体积影响的实验”，《磁能应用技术》1990.2
G．Ｌ．特里格，《现代物理学中的关键性实验》，科学出版社1983
立花太郎等，《液晶知识》，科学普及出版社 1984
《磁能应用技术》 １９９２年第四期 第１４页
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