液膜電動機的研究

于雪晴,車廣順，周 凱，孫宇伽，龔佳敏，李澤健,王春亮，賈 艷

(1.東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024;2.長春職業(yè)技術學院 工程技術分院 城市軌道天道供配電專業(yè)，吉林 長春 130033)

液膜電動機的研究

于雪晴1,車廣順1，周 凱1，孫宇伽1，龔佳敏1，李澤健2,王春亮1，賈 艷1

(1.東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024;2.長春職業(yè)技術學院 工程技術分院 城市軌道天道供配電專業(yè)，吉林 長春 130033)

液膜在外加電場和電泳電壓下會發(fā)生轉動，并且液膜旋轉的方向和速度可通過外加電場和電泳電壓來控制. 這種可控的電致流動現(xiàn)象可成為微型離心機、馬達等新型器件的物理基礎. 本文用簡單的材料制作了液膜電動機的模型，觀察得到了良好的旋轉現(xiàn)象，并定性研究了液膜成分、面積及不同電泳電壓、電場對液膜旋轉的影響.

液膜發(fā)動機；電致旋轉；渦旋；微流

將附著在邊框上的液體薄膜放在平行于膜面的電場中，并使液膜通過電流，在一定條件下，液膜會發(fā)生旋轉，并且旋轉的方向和速度都受外加電場和電流的影響[1-5]，這種現(xiàn)象常被稱作“液膜電動機”. 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，因而引起了人們的關注. 液膜電動機的觀測并不需要十分專業(yè)的設備，用一些初等的電學設備和器材即可，很適合大學生和高中生研究. 因此，此題目也被選為2015年第28屆國際青年物理學家競賽(IYPT)的題目. 本文采用普通物理實驗室常見的電學設備和器材，制作了液膜電動機，并分析了電致旋轉的物理機制，研究了相關的影響因素.

1 實驗裝置及制作過程

實驗裝置如圖1所示，在框架的范圍內有液體薄膜，外電場和電泳電場由2個直流電源提供，這2個電場的方向互相垂直，但都平行于薄膜所在的平面[2]. 形成液膜所需的框架用厚度約1 mm的硬質塑料板制作. 實驗時，將框架蘸入水、丙三醇、洗潔精、洗衣液等不同種類液體中，小心取出后，框架中即可形成薄膜. 選用零電壓開關(Zero voltage switching,ZVS)電源來產(chǎn)生液膜電動機所需的外電場. 這種電源常被應用于驅動火花隙特斯拉線圈等裝置，可輸出10～20 kV的直流高電壓. 產(chǎn)生電泳電流的電源為輸出電壓在0～40 V連續(xù)可調的直流穩(wěn)壓電源.

圖1 液膜電動機裝置示意圖

2 電致旋轉現(xiàn)象觀察

當加載到液膜上的外電場和電泳電流達到一定強度時，液膜會在邊框內形成旋轉的同心圓環(huán)，且旋轉的方向為Eext×Jel[3]. 圖2是典型的液膜電動機工作時的情形，具體參量如下：液膜的面積為5 mm×5 mm，電泳電壓為40 V，外電場電壓為20 kV. 通過干涉條紋的顏色可估算出液膜的厚度在數(shù)百nm至1 μm之間[4]. 實驗中可明顯觀察到液膜中的各同心圓環(huán)旋轉的角速度不同，液膜靠近中心的質點角速度比周邊質點大. 同時，液膜的各同心圓環(huán)呈現(xiàn)出不同的顏色，由此可知它們的厚度并不相同.

(a)未旋轉的液膜

(b)旋轉的液膜圖2 單個正方形液膜旋轉圖樣

為了研究液膜電動機的動力學性質和影響因素，通過改變外電場電壓和電泳電壓條件，得到下列結果：

1)固定外電場強度，所加電泳電壓很小，電流約為10 μA時，液膜便開始旋轉，起初旋轉十分緩慢，觀測不到明顯的未轉與轉的分界.

2)保持外電場強度不變，隨著電泳電壓的增大，液膜旋轉逐漸變快；反之保持電泳電壓不變，液膜旋轉也隨外電場強度增大而變快.

3)保持外電場強度及電泳電壓恒定，改變電場極板與電極夾角，夾角大的液膜轉速快，在夾角為90°時達到極值.

這些結果表明：電致旋轉現(xiàn)象在較小的電泳電場的作用下即可產(chǎn)生，且液膜的旋轉對電泳電壓的大小和方向都非常敏感.

當采用矩形邊框并逐漸增加液膜的長寬比時，可得到如下結果：當長寬比較小時，液膜旋轉方式同正方形類似，出現(xiàn)1個圓心，成多圈同心圓角矩形；當長寬比增加到一定程度(約為6∶1)時，會出現(xiàn)2個甚至多個旋轉方向相同的漩渦區(qū)域，各漩渦區(qū)域距旋轉中心距離相同處旋轉速度也基本一致.

用較細棉線對塑料邊框進行分割，則分割形成的各部分會分別以自身中心為圓心發(fā)生旋轉，且各部分液膜旋轉方向相同,如圖3(a)所示. 因邊框在蘸取液膜時，上面會殘留少許液體，觀察到被分割的某些部分液膜破裂時，其余部分仍能發(fā)生旋轉，且方向速度均不發(fā)生改變,如圖3(b)所示.

(a) 各部分液膜同向旋轉

(b) 部分液膜破損時，剩余部分繼續(xù)旋轉圖3 棉線分割的多個液膜旋轉

為觀察薄膜形狀對旋轉的影響，嘗試將液膜邊框換作圓形，但并沒有觀察到液膜的旋轉有明顯不同. 與正方形邊框類似，仍是多圈同心圓,只是方形液膜邊緣附近同心圓趨近于圓角方形.

用不同材料、體積分數(shù)的液膜，包括10%,20%,30%甘油水溶液以及洗潔精溶液、洗衣液溶液，均觀察到了類似現(xiàn)象. 可見液膜電動機的旋轉對常見材料的種類和濃度并不敏感.

3 結果討論

液膜的電致轉動現(xiàn)象可能源于下列2個因素：電致電荷移動和極性分子取向變化.

3.1 電致電荷移動

電荷移動的機理如圖4所示.

圖4 電致電荷移動原理示意圖

所用的薄膜具有一定的導電性，因此薄膜里應該存在可以移動的正負電荷. 在自然狀態(tài)下，正負電荷均勻分布在薄膜內,當薄膜處于外電場作用下時，正負電荷會沿外電場方向產(chǎn)生分離. 當薄膜接入電泳電壓后，正電荷會產(chǎn)生正極→負極的移動，而負電荷產(chǎn)生負極→正極的移動. 當外電場和電泳電壓共同作用于薄膜時，正負電荷不斷發(fā)生分離、移動的過程. 這2個過程作用的結果，將使電荷產(chǎn)生方向為Eext×Jel的旋轉，進而帶動薄膜產(chǎn)生相應的旋轉[5].

3.2 極性分子取向變化

液膜電動機實驗中常用的肥皂、甘油、水等均屬于極性分子，在外加電場的條件下可能會發(fā)生取向極化和電子位移極化[6]，進而產(chǎn)生如圖5所示的物理過程.

圖5 極性分子取向變化示意圖

液膜中的極性分子由于極化將發(fā)生轉動并形成長程有序的鏈狀結構，分子間的運動會發(fā)生相互影響牽制. 當在其中通以電泳電流時，電流會對極化分子產(chǎn)生力矩的作用從而破壞極化平衡，而長程有序的鏈狀結構分子間的互相牽制使得液膜穩(wěn)定不容易被破壞，會保持鏈狀結構發(fā)生運動，在不斷破壞平衡與重建平衡的競爭中，液膜開始轉動.

上述2種機制都可以令液膜產(chǎn)生旋轉，筆者認為在液膜中這2種作用都可能存在，但對于不同的液體，每種機制的比重會不同.

4 結束語

附著在邊框上的液體薄膜在外加電場和電泳電壓的共同作用下，能以同心圓環(huán)形式發(fā)生旋轉，且旋轉速度可通過電泳電壓來進行控制. 液膜電動機可有不同的變體，例如用棉線分割液膜成多個部分，各部分仍會旋轉且旋轉方向相同.

液膜電動機具有一些獨特的性質，可在此基礎上研發(fā)一些微型儀器. 例如，直流液膜電動機的旋轉特性可被應用于離心技術. 將待離心的液體物質制成液膜，利用液膜各處角速度的不同，可充分對其進行離心. 此離心方法較適于成分復雜液體的離心，如血液、細胞器液的離心等[7].

用電學實驗室常見的儀器和簡單材料可以制成液膜電動機，常見的洗衣液、洗潔精等多種溶液都可以用作液膜電動機的工作物質[8]. 因此，液膜電動機可建設成課堂演示實驗的題目[9]，改善教學效果. 同時，液膜電動機現(xiàn)象簡單，但涉及到的物理知識豐富，很適合成為教學改革中的探索性實驗內容[10]，激發(fā)學生進一步學習的興趣，鍛煉他們進行科學探索的能力.

[1] Amjadi A, Shirsavar R, Radja N H, et al. A liquid film motor [J]. Microfluid and Nanofluid，2009，6(5):711-715.

[2] Shiryaeva E V, Vladimirov V A, Zhukov M Y. A liquid film motor [J]. Phys. Rev. E， 2009，80(4):041603.

[3] Liu Z Q, Li Y J, Zhong G C, et al. Dynamical mechanism of the liquid film motor [J]. Phys. Rev. E，2011，83(2):026303.

[4] Shirsavar R, Amjadi A, Tonddast-Navaei A, et al. Electrically rotating suspended films of polar liquids [J]. Exp. Fluids, 2011,50(2):419-428.

[5] Liu Z Q, Li Y J,Gan K Y, et al. Water film washers and mixers:Their rotation modes and electro-hydrodynamical flows induced by square-wave electric fields[J]. Microfluid and Nanofluid, 2013,14(1/2):319-328.

[6] 趙凱華. 新概念物理教程·電磁學[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2006：224-232.

[7] 劉中強. 復雜流體中電流體液膜電致流動動力學特征研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(北京),2012.

[8] 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，2015，35(5)：30-33.

[9] 姚峰超，孟現(xiàn)美. 新課程下微實驗的開發(fā)與實例[J]. 物理實驗，2016，36(6)：40-43.

[10] 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，2015，35(8)：10-14.

[責任編輯：郭 偉]

Investigation on liquid film motor

YU Xue-qing1， CHE Guang-shun1, ZHOU Kai1, SUN Yu-jia1,GONG Jia-min1, LI Ze-jian2, WANG Chun-liang1, JIA Yan1

(1.School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;2.Professional Urban Rail Transit Power Supply and Distribution, Brand School of Engineering and Technology, Changchun Vocational Institute of Technology, Changchun 130033, China)

Rotating vortexes had been observed in liquid films driven by an external field and an electrolysis voltage. Moreover, the direction and velocity of rotations could be controlled by the field and voltage. Such electrically controlled rotations could lead to the development of novel devices such as micro centrifuge and motors. In this paper, a liquid thin film motor was made with simple materials. Obvious rotations were observed, and the relative effects of ingredient, size, external field, and electrolysis voltage had been qualitatively analyzed.

liquid film motor; electrically induced rotation; vortex; micro fluid

2016-05-29；修改日期：2016-07-29

于雪晴(1996-)，女，河南洛陽人，東北師范大學物理學院2014級本科生.

指導教師：王春亮(1980-)，男，吉林長春人，東北師范大學物理學院副教授，博士，從事光電材料研究.

O441.6

A

1005-4642(2016)12-0031-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文