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，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速率，探討了“轉動”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雜電場中的運動有一定的指導意義。

關鍵詞：液體膜;電場;電流;旋轉

近年來，科學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和生物學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、熱或電學因素的作用時，它們將表現(xiàn)出非常有趣的動力學現(xiàn)象，如波的傳播和混沌效應[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，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、工程等許多領域都有潛在的應用價值，因而引起人們的關注。它不需要非常專業(yè)的設備和器械，僅僅利用普通物理實驗室一些常見的電學器材就可以觀測到液體膜的旋轉現(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運動，以至于在液體薄膜中能觀察到旋轉現(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構，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動。其液膜旋轉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，液體薄膜的旋轉方向也會發(fā)生變化。液體膜旋轉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，肥皂膜的旋轉方向發(fā)生改變。

由表2可以得出以下結論：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，膜的旋轉方向發(fā)生改變，與原來旋轉方向相反;如果改變貫穿肥皂膜的電流方向，肥皂膜的旋轉方向也發(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)動機中液體膜旋轉的原因，液體膜在交叉電場中的旋轉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運動。本實驗驗證了液體膜電動機中液體膜旋轉現(xiàn)象的真實存在性。

參考文獻：

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

[2]李艷琴.磁場強度對磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響[J].物理實驗，2015，000（005）：30-33.

[3]朱秀昌.介電泳的原理及應用[J].化學通報，1962，09：32-36.

[4]白璐，張香平，鄧靚，李夢蝶.離子液體膜材料分離二氧化碳的研究進展[J].化工學報，2016，67（01）：248-257.

[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，2014，26（04）：35-38.

基金項目：國家自然科學基金（No.61575131）

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

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