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(chǎng)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(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱為“液體膜電動(dòng)機(jī)”。本文對(duì)此種現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析了液體膜在不同的電壓與電場(chǎng)強(qiáng)度下的旋轉(zhuǎn)速率，探討了“轉(zhuǎn)動(dòng)”的原理并解釋了這種現(xiàn)象。液體膜中的帶電粒子受兩個(gè)不同電場(chǎng)力的作用，而做環(huán)形軌跡的螺旋運(yùn)動(dòng)。通過(guò)研究得出了影響肥皂膜旋轉(zhuǎn)速度的三大因素：電場(chǎng)強(qiáng)度、電流強(qiáng)度、液體中離子的濃度。本實(shí)驗(yàn)對(duì)理解帶電粒子在較復(fù)雜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：液體膜;電場(chǎng);電流;旋轉(zhuǎn)

近年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)液體膜的物理性質(zhì)產(chǎn)生了興趣，因?yàn)楹暧^液體膜在物理學(xué)和生物學(xué)中具有十分重要的研究?jī)r(jià)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(dāng)液體膜受到各種化學(xué)、熱或電學(xué)因素的作用時(shí)，它們將表現(xiàn)出非常有趣的動(dòng)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(chǎng)中，并給液體膜兩端施加一定的電壓，使膜中有電流通過(guò)，在一定條件下，液體膜會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱為“液體膜電動(dòng)機(jī)”[2]。該電動(dòng)機(jī)在物理、醫(yī)學(xué)、工程等許多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)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(shí)驗(yàn)室一些常見的電學(xué)器材就可以觀測(cè)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(lái)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(qiáng)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(guò)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(shí)驗(yàn)原理

液體薄膜中有可以自由移動(dòng)的正負(fù)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(dāng)液體薄膜處于與薄膜平行的外電場(chǎng)中時(shí)，帶電粒子會(huì)沿著外電場(chǎng)方向發(fā)生分離。而當(dāng)液體薄膜中通入貫穿膜的電流時(shí)，又會(huì)給移動(dòng)的帶電粒子一個(gè)垂直方向的力，帶電粒子在兩個(gè)力作用下會(huì)向附近液體膜框移動(dòng)，受到膜框的碰撞而發(fā)生反彈，反彈的作用力和另外一個(gè)電極的吸引力，會(huì)使得帶電粒子向另外一個(gè)電極移動(dòng)。液體薄膜中的帶電粒子移動(dòng)到另外一個(gè)電極時(shí)，因?yàn)閼T性以及附近其他帶電粒子的推力，不會(huì)使得帶電粒子停止不動(dòng)，而是打破平衡，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在液體薄膜中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)作用下可能會(huì)發(fā)生取向極化和電子位移極化，其物理過(guò)程就是極性分子在外加電場(chǎng)作用下，形成長(zhǎng)程有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，分子間的運(yùn)動(dòng)會(huì)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(huì)破壞極化平衡，由于以上作用，使得電場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，造成重建平衡，而外加作用力在打破和重建平衡中，不斷競(jìng)爭(zhēng)，從而使得液膜得以轉(zhuǎn)動(dòng)。其液膜旋轉(zhuǎn)的方向和速度可以通過(guò)操縱所施加電場(chǎng)的方向和強(qiáng)度來(lái)控制，改變直流電源電壓的高低或液體薄膜中的電流強(qiáng)弱，液體膜的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)發(fā)生改變。另外，改變直流電源正負(fù)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(huì)發(fā)生變化。液體膜旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

用激光雕刻機(jī)在有機(jī)玻璃上雕刻一個(gè)矩形孔，形成框架，在任意正對(duì)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(fù)極相連，提供貫穿液體膜的電流。將框架放入肥皂水中，浸潤(rùn)后拿出，在框架上便會(huì)形成懸浮的液體膜。然后將液體膜被放置在兩個(gè)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(fù)極相連，構(gòu)成平行板電容器。本實(shí)驗(yàn)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(dá)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(duì)其輸出電壓進(jìn)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(dāng)控制電壓為0V時(shí)，高壓模塊輸出電壓為0V;當(dāng)控制電壓為5V時(shí)，輸出電壓為15kV。DC-DC直流高壓模塊如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guò)膜的電流增加，肥皂膜旋轉(zhuǎn)的速度逐漸加快。另外，當(dāng)改變肥皂膜兩端電壓的極性時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，平行板電容器兩極板間的電壓要更高，可以達(dá)到幾十千伏甚至更高。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的方向，膜的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，與原來(lái)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(shí)驗(yàn)還有需要改進(jìn)的地方，比如，有機(jī)玻璃框架上的電極是用銅線纏繞的，通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而找到一個(gè)更加利于實(shí)驗(yàn)觀察的極性液體膜。

4 結(jié)論

本文通過(guò)原理分析，解釋了液體膜發(fā)動(dòng)機(jī)中液體膜旋轉(zhuǎn)的原因，液體膜在交叉電場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)起源于外部電場(chǎng)破壞和維持的極化平衡的重新建立之間的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)，也即：肥皂膜中的帶電粒子受兩個(gè)不同電場(chǎng)力的作用做環(huán)形軌跡的螺旋運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)液體膜做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了液體膜電動(dòng)機(jī)中液體膜旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的真實(shí)存在性。

參考文獻(xiàn)：

[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(shí)踐探索[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015（8）：10-14.

[2]李艷琴.磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性液體磁表面張力系數(shù)的影響[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015，000（005）：30-33.

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

[4]白璐，張香平，鄧靚，李夢(mèng)蝶.離子液體膜材料分離二氧化碳的研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào)，2016，67（01）：248-257.

[5]徐潔，儲(chǔ)險(xiǎn)峰，馬馳遠(yuǎn)，董永全，吳小琴.支撐離子液體膜微萃取-氣相色譜法測(cè)定水中有機(jī)氯農(nóng)藥[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2014，26（04）：35-38.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61575131）

作者簡(jiǎn)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。