磁場作用下液體表面張力變化研究

張瀟元 高佳蕾 李佳逸

摘要：本論文采用拉脫法測量了10℃時0.9%的生理鹽水、調和油、洗潔精、雪碧四種液體分別置于通電和未通電的亥姆霍茲線圈中時的表面張力，研究了有、無磁場和磁場變化時四種液體表面張力的變化。實驗表明加入磁場后由于液體分子間作用力減弱導致液體的表面張力明顯減小。實驗通過改變線圈電壓來改變電流時，發現表面張力隨磁場強度不規則增大。

關鍵詞：表面張力；磁化；拉脫法

[HJ0.8mm]液體的表面張力是由于液體表面分子受力不對稱所致，表面層內分子受到本相分子的作用，另一方面又受到性質不同的另一本相分子的作用，導致液體表面層內分子的球對稱性被破壞而受到指向液體內部的合力作用，液體和氣體接觸的表面存在的薄層即表面層（其厚度等于分子的作用半徑，為108cm），表面層里的分子比液體內部稀疏，分子間的間距比其內部大些，由于表面層內分子的作用，存在著一定的張力，即液體表面張力。[13]在建筑行業、醫學、工業等行業中表面張力起著非常重要的作用，如表面張力對混凝土斷裂能力及其應變軟化。[46]利用表面張力也可解釋液態物質所具有的現象，例如泡沫的形成，濕潤現象等。同時磁化現象在醫學、防腐及材料科學中都得到了廣泛的應用。[5]在磁場作用下將微米尺寸的磁極化顆粒分散于非磁性液體（礦物油、硅油等）中形成的懸浮液就是磁流變液。磁流變液是一種用途廣泛、性能優良的智能材料已經開始應用于研磨（拋光）工藝、閥門和密封、家庭健身器、機械手的抓持機構、裝配車間不規則形體的依托架、以及自動化儀表、機器人的傳感器和采礦、印刷等行業。[1]因此磁場的存在對液體表面張力有非常重要的作用。本文采用彈簧測力計測得物體在不同密度液體的表面張力[7]，測量在不同磁場強度的作用的液體表面張力的變化。

1 實驗原理與方法

實驗采用拉脫法測量一個絕緣規則固體從待測液體表面脫離時所需要的拉力，該拉力是由液體表面張力、磁場強度、液體材質等因素決定。實驗時所選擇的磁場是由亥姆霍茲線圈產生的。將所選擇的樣品置于DH4501型號亥姆霍茲線圈實驗儀（兩線圈中心連線一段，出現一個平臺為勻強磁場）中心處，由亥姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度公式有：

[JZ（][XCimage354.tif；%75%75，JZ][JZ）][JY]（1）

式中N0為線圈匝數，I為線圈流過的電流強度，R為亥姆霍茲線圈的平均半徑，μ0為磁導率。

用亥姆霍茲線圈實驗儀控制輸出電流，使輸出電流與場強成正比。拉脫法在拉動絕緣規則固體（橡皮）穿過液膜拉斷前瞬間保持力的方向完全豎直向下，此時可根據拉力和重力即得到液體的表面張力。

[JZ（][XCimage355.tif][JZ）][JY]（2）

式中F為所施的外力，m為絕緣規則固體的總質量，g為重力系數，σ為表面張力。

[JZ][XCimage356.tif]

[BT6] 磁場作用下樣品表面張力隨電流的變化圖

用彈簧秤稱出絕緣規則固體（橡皮）的質量，并在不加磁場的情況下分別使用拉脫法測量四種等量樣品表面張力。使用將亥姆霍茲線圈垂直方向放置的方法得到垂直磁場。將線圈通電預熱十五分鐘后，置燒杯于亥姆霍茲線圈兩個線圈的正中間，磁化十分鐘。隨后不斷遞增通過線圈的電流，測量其表面張力；重復實驗。實驗結果圖見左。

2 結論與分析

樣品在磁場作用下，表面張力變化如左圖所示，隨著磁處理時間的增加，樣品的表面張力先增加，后減少，然后再增大。一定范圍內（電流在10到60mA內），經磁場處理后的樣品表面張力小于處理前的表面張力。在增加磁場強度后樣品表面張力小幅度變化，電流值變化時表面張力增大或減小到峰值。雪碧、調和油、洗潔精在電流為60mA時，表面張力達到最大值；實驗發現鹽水或其他溶液經過磁場處理后，其物理、化學性質會發生改變，這種改變與磁場處理次數、磁場強度、流速等因素有關。

對于上述結論產生的解釋，我們認為在不同的磁場強度下，水分子內氫鍵及水分子間的鍵結構、鍵角、鍵長被改變的程度、數量都會有所不同。即液體磁化后會使液體表面張力系數降低。磁化了破壞這種水合作用，使游離的單一水分子所占比例不斷增大，引起平均水分子結合能降低和表面張力不斷下降，本實驗中樣品也因此降低了表面張力。

溶液在磁場作用下，有下列反應式進行[4]：

[SX（]1[]2[SX）]O2+H2O+E+hv→（H2O2）；H2O2+hv→2OH〖JY〗（3）

其中E為磁場強度。隨著磁場的增強及時間的改變，分子的鍵結構及定向性都會發生相應的變化。而在不同的磁場、時間范圍內，水分子內氫鍵及水分子間的鍵結構、鍵角、鍵長被改變的程度、數量都會有所不同。磁化作用使水合作用遭受破壞的程度越大表面張力的下降也就愈大。

參考文獻：

[1]磁流變液研究概況[J].高分子實驗室，20130430.

[2]李艷琴.均勻磁場中磁性液體的磁表面張力系數實驗研究[J].物理與工程，20162601.

[3]張巖.磁化處理對鑄造無機材料（水、水玻璃）性能的影響[J].大連理工大學，20030310.

[4]任宇航，許祝安，田濤，等.水表面張力的磁化效應[J].浙江大學學報（自然科學版），19973102.

[5]王松濱，張玉松，黃文德.磁場處理對水表面張力的影響[J].內蒙古大學學報（自然科學版），19891903.

[6]文軍.李芳菊.基于表面張力的水質檢測與分析[J].實驗室研究與探索，20153404.

[7]楊述武.普通物理實驗：第一冊[M].北京：高等教育出版社，1999137401.

項目：咸陽師范學院大學生創新創業訓練計劃項目（編號：2017084）資助