液體膜電動機的探究

于桐 邵思雨 蘇波

摘?要：將附著在絕緣邊框上的液體膜放在平行于膜面的電場中，并在平行于膜面的方向通上貫穿膜的電流。在一定的條件下，液體膜會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱為“液體膜電動機”。本文對此種現(xiàn)象進行研究，分析了液體膜在不同的電壓與電場強度下的旋轉(zhuǎn)速率，探討了“轉(zhuǎn)動”的原理并解釋了這種現(xiàn)象。液體膜中的帶電粒子受兩個不同電場力的作用，而做環(huán)形軌跡的螺旋運動。通過研究得出了影響肥皂膜旋轉(zhuǎn)速度的三大因素：電場強度、電流強度、液體中離子的濃度。本實驗對理解帶電粒子在較復(fù)雜電場中的運動有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：液體膜;電場;電流;旋轉(zhuǎn)

近年來，科學(xué)家們對液體膜的物理性質(zhì)產(chǎn)生了興趣，因為宏觀液體膜在物理學(xué)和生物學(xué)中具有十分重要的研究價值。液體膜不僅可以由聚合物溶液等復(fù)雜材料組成，也可以由水、油或肥皂水等常見液體組成。當液體膜受到各種化學(xué)、熱或電學(xué)因素的作用時，它們將表現(xiàn)出非常有趣的動力學(xué)現(xiàn)象，如波的傳播和混沌效應(yīng)[1]。把表面活性劑分子溶解在水中可以使薄膜更穩(wěn)定、更輕薄，懸浮的液體膜的厚度可以到幾百納米甚至幾十納米。

將附著在絕緣矩形邊框上的液體膜放在平行于膜面的電場中，并給液體膜兩端施加一定的電壓，使膜中有電流通過，在一定條件下，液體膜會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱為“液體膜電動機”[2]。該電動機在物理、醫(yī)學(xué)、工程等許多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值，因而引起人們的關(guān)注。它不需要非常專業(yè)的設(shè)備和器械，僅僅利用普通物理實驗室一些常見的電學(xué)器材就可以觀測到液體膜的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象[3，4]。

本文采用的液體膜是肥皂膜，而肥皂膜就是利用肥皂水來制備的，將肥皂溶于水即成為肥皂水，其主要成分是硬脂酸鈉（C17H35COONa），此為弱酸強堿鹽，在水中水解為鈉離子和脂肪酸根離子，脂肪酸根離子易與水中氫離子結(jié)合成脂肪酸，從而使肥皂水中出現(xiàn)過多的氫氧根離子，使其呈弱堿性。所以肥皂膜中的主要離子是：鈉離子、氫氧根離子、脂肪酸根離子以及極少量的氫離子。

1 實驗原理

液體薄膜中有可以自由移動的正負離子，有一定的導(dǎo)電性。在自然狀態(tài)下，帶電粒子均勻分布在液體薄膜內(nèi)，當液體薄膜處于與薄膜平行的外電場中時，帶電粒子會沿著外電場方向發(fā)生分離。而當液體薄膜中通入貫穿膜的電流時，又會給移動的帶電粒子一個垂直方向的力，帶電粒子在兩個力作用下會向附近液體膜框移動，受到膜框的碰撞而發(fā)生反彈，反彈的作用力和另外一個電極的吸引力，會使得帶電粒子向另外一個電極移動。液體薄膜中的帶電粒子移動到另外一個電極時，因為慣性以及附近其他帶電粒子的推力，不會使得帶電粒子停止不動，而是打破平衡，繼續(xù)運動，在液體薄膜中作旋轉(zhuǎn)運動，以至于在液體薄膜中能觀察到旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象[5]。

從極性分子取向變化方面考慮，在外加電場作用下可能會發(fā)生取向極化和電子位移極化，其物理過程就是極性分子在外加電場作用下，形成長程有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，分子間的運動會發(fā)生相互影響，又在貫穿液體薄膜的電流作用下，電流力矩會破壞極化平衡，由于以上作用，使得電場競爭，造成重建平衡，而外加作用力在打破和重建平衡中，不斷競爭，從而使得液膜得以轉(zhuǎn)動。其液膜旋轉(zhuǎn)的方向和速度可以通過操縱所施加電場的方向和強度來控制，改變直流電源電壓的高低或液體薄膜中的電流強弱，液體膜的旋轉(zhuǎn)速度會發(fā)生改變。另外，改變直流電源正負極性或貫穿薄膜中的電流方向，液體薄膜的旋轉(zhuǎn)方向也會發(fā)生變化。液體膜旋轉(zhuǎn)實驗裝置示意圖如圖1所示。

2 實驗過程

用激光雕刻機在有機玻璃上雕刻一個矩形孔，形成框架，在任意正對的框架兩端纏繞銅線作為電極;分別與量程為30V的學(xué)生直流電源的正負極相連，提供貫穿液體膜的電流。將框架放入肥皂水中，浸潤后拿出，在框架上便會形成懸浮的液體膜。然后將液體膜被放置在兩個平行的金屬板之間，并保持液體膜與金屬板垂直。兩金屬板分別與幾千伏的高壓直流電源的正負極相連，構(gòu)成平行板電容器。本實驗所采用的是直徑為25cm的圓形鋁質(zhì)平行板電容器，兩板間距為10cm。平行板電容器用輸出可達15kV的DC-DC直流高壓電源模塊供電，該電源模塊用12V直流電源供電，用0—5V的電壓對其輸出電壓進行控制，并且0—5V的控制電壓與0—15kV的輸出電壓成線性關(guān)系。即當控制電壓為0V時，高壓模塊輸出電壓為0V;當控制電壓為5V時，輸出電壓為15kV。DC-DC直流高壓模塊如圖2所示，實驗裝置實物圖如圖3所示。

3 實驗現(xiàn)象及結(jié)果

（1）將平行板電容器兩端的電壓調(diào)節(jié)為5kV，改變加在肥皂膜兩端的電壓大小，實驗現(xiàn)象如表1所示。

（2）將加在肥皂膜兩端的電壓固定在30V，改變平行板電容器兩端的電壓大小，實驗現(xiàn)象如表2所示。

由表1可以得出以下結(jié)論：保持平行板電容器兩端的電壓不變，慢慢增大肥皂膜兩端的電壓大小，使得穿過膜的電流增加，肥皂膜旋轉(zhuǎn)的速度逐漸加快。另外，當改變肥皂膜兩端電壓的極性時，肥皂膜的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。

由表2可以得出以下結(jié)論：保持肥皂膜兩端的電壓不變，慢慢增加平行板電容器兩端電壓的大小，即改變兩極板間的場強大小，肥皂膜旋轉(zhuǎn)的速度慢慢變快。另外，若要看到明顯的實驗現(xiàn)象，平行板電容器兩極板間的電壓要更高，可以達到幾十千伏甚至更高。

通過實驗還發(fā)現(xiàn)，如果改變平行板電容器兩端電壓的方向，即改變平行電容器間勻強電場場強的方向，膜的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，與原來旋轉(zhuǎn)方向相反;如果改變貫穿肥皂膜的電流方向，肥皂膜的旋轉(zhuǎn)方向也發(fā)生變化。

本次實驗還有需要改進的地方，比如，有機玻璃框架上的電極是用銅線纏繞的，通過肥皂膜的電流不是很均勻，若用金屬條作為電極，效果將更好;實驗中肥皂膜形成后很容易破掉，所以應(yīng)該嘗試更多種液體進行實驗，從而找到一個更加利于實驗觀察的極性液體膜。

4 結(jié)論

本文通過原理分析，解釋了液體膜發(fā)動機中液體膜旋轉(zhuǎn)的原因，液體膜在交叉電場中的旋轉(zhuǎn)起源于外部電場破壞和維持的極化平衡的重新建立之間的持續(xù)競爭，也即：肥皂膜中的帶電粒子受兩個不同電場力的作用做環(huán)形軌跡的螺旋運動，從而推動液體膜做旋轉(zhuǎn)運動。本實驗驗證了液體膜電動機中液體膜旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的真實存在性。

參考文獻：

[1]李金環(huán)，王笑軍，王慶勇.PPBL教學(xué)模式在光學(xué)教學(xué)中的實踐探索[J].物理實驗，2015（8）：10-14.

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[3]朱秀昌.介電泳的原理及應(yīng)用[J].化學(xué)通報，1962，09：32-36.

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[5]徐潔，儲險峰，馬馳遠，董永全，吳小琴.支撐離子液體膜微萃取-氣相色譜法測定水中有機氯農(nóng)藥[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2014，26（04）：35-38.

基金項目：國家自然科學(xué)基金（No.61575131）

作者簡介：于桐（1998—?），女，北京人，首都師范大學(xué)在讀本科生，研究方向：物理學(xué)。

通訊作者：蘇波（1975—?），男，漢族，山西臨猗人，博士，副教授，研究方向：太赫茲波的教學(xué)和科學(xué)研究。