陜師大物理系畢業(yè)論文高

1、分類(lèi)號(hào)： O426.4 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：功率超聲和磁場(chǎng)對(duì)納米微粒懸浮液電導(dǎo)率的影響作 者 單 位 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 作 者 姓 名 高 毅 專(zhuān) 業(yè) 物理學(xué) 指導(dǎo)教師（職稱(chēng)） 莫潤(rùn)陽(yáng)（副教授） 論文（設(shè)計(jì)）完成時(shí)間 二O一三年 五 月 功率超聲和磁場(chǎng)對(duì)納米微粒懸浮液電導(dǎo)率的影響高 毅（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安，710062）摘 要：實(shí)驗(yàn)研究了在不同功率的超聲和磁場(chǎng)作用下不同濃度的Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液、Fe3O4納米微粒水懸浮液和SiO2 納米微粒水懸浮液電導(dǎo)率的變化。將裝有懸浮液的薄壁塑料管置于裝有自來(lái)水的超聲空化杯當(dāng)中，改變超聲發(fā)生器功率的大小，用電

2、導(dǎo)率儀測(cè)量電導(dǎo)率的變化；在加上15.6mT的磁場(chǎng)后再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)懸浮液產(chǎn)生空化效應(yīng)時(shí)，懸浮液電導(dǎo)率迅速減小，空化效應(yīng)消失后，懸浮液電導(dǎo)率迅速增大，并且比空化前的初始值略大；當(dāng)電壓從25V -250V的變化過(guò)程中，電導(dǎo)率變化都呈先下降后略微增大的趨勢(shì)；而且磁場(chǎng)會(huì)使懸浮液的電導(dǎo)率增大。關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)；超聲空化；電導(dǎo)率；懸浮液1 引言超聲波是指頻率高于2×104 Hz 的聲波，一般將超聲作用效應(yīng)歸納為機(jī)械效應(yīng)，熱學(xué)效應(yīng)和空化效應(yīng)三種，其中空化效應(yīng)是聲化學(xué)反應(yīng)的主動(dòng)力1。當(dāng)超聲波在懸浮液體系中傳播時(shí)，能有效的改善和強(qiáng)化一些懸浮液的物理化學(xué)性質(zhì)及過(guò)程，如懸浮液表面張力、粘度、電導(dǎo)率

3、等等，懸浮液的這些物化性質(zhì)對(duì)其在生產(chǎn)實(shí)際中的用途及用法起著決定性的作用。目前超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、醫(yī)療等領(lǐng)域2-4。 隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)藥物的需求越來(lái)越高，控制藥物釋放、減小副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。在這方面，納米Fe3O4可能會(huì)扮演重要的角色。例如，在靶向藥物方面，利用Fe3O4作為吸附劑，采用磁分離技術(shù)來(lái)制備生物高分子微球用于靶向藥物等的研究已成為當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)的熱門(mén)課題。它以磁性微球?yàn)樗幬镙d體，在外磁場(chǎng)的作用下，通過(guò)動(dòng)脈注入到腫瘤組織，把載體定向到腫瘤部位，使所含藥物得到定位釋放，集中在病變部位發(fā)生作用，具有高效、速效、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。目

4、前，這方面的研究還處于初始階段，有著廣闊的前景5-6。在物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同功率超聲作用于納米微粒懸浮液時(shí)電導(dǎo)率的變化情況關(guān)注不夠，并且在加上磁場(chǎng)以后，它們的變化又會(huì)怎樣？本文用Fe3O4納米微粒配制不同濃度的Fe3O4納米微粒水懸浮液和 Fe3O4 微粒乙醇懸浮液，在室溫下（21）測(cè)量不同的功率超聲作用下，F(xiàn)e3O4 納米微粒水懸浮液和 Fe3O4 納米微粒乙醇懸浮液電導(dǎo)率的變化情況，并以SiO2 納米微粒水懸浮液作為對(duì)比組；并測(cè)量了在磁場(chǎng)作用下，三種懸浮液電導(dǎo)率的變化情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了功率超聲、磁場(chǎng)、濃度對(duì)懸浮液電導(dǎo)率的影響。2 材料和方法2.1 主要實(shí)驗(yàn)材料圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

5、Fe3O4納米微粒、SiO2納米微粒、二次蒸餾水、無(wú)水乙醇。實(shí)驗(yàn)中所用的懸浮液為以乙醇為溶劑的Fe3O4納米微粒懸浮液、以二次蒸餾水為溶劑的Fe3O4納米微粒懸浮液和以二次蒸餾水為溶劑的SiO2納米微粒懸浮液；Fe3O4納米微粒的顆粒大小在200-300nm，SiO2納米微粒的顆粒大小為50nm。DDS-11A型電導(dǎo)率儀（上海雷磁創(chuàng)益儀器儀表有限公司）、UGD超聲發(fā)生器(南京瀚州科技有限公司， 輸入電壓0-300V)、換能器、高斯計(jì)（上海亨通磁電科技有限公司）、溫度計(jì)。2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，磁場(chǎng)加載方式如圖2所示。首先UGD超聲發(fā)生器產(chǎn)生脈沖超聲信號(hào)，經(jīng)超聲功

6、率放大器放大，加載至超聲換能器，將超聲發(fā)生器的工作頻率調(diào)節(jié)至共振頻率(本次實(shí)驗(yàn)中使用的共振頻率為26kHz左右)，在超聲空化杯中產(chǎn)生空化效應(yīng)，調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器上的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，可以改變功率的大小。實(shí)驗(yàn)之前，配制好不同濃度的三種懸浮液，在超聲空化杯中加入3/4容積的自來(lái)水，用10mL的薄壁塑料管（壁厚0.3mm，如果塑料管管壁太厚，會(huì)極大的削弱超聲空化）取6mL懸浮液，測(cè)量的時(shí)候?qū)⒈”谒芰瞎苤糜谧詠?lái)水中，再將電導(dǎo)率儀電極插入塑料管浸沒(méi)在懸浮液中，這樣就可以讀出懸浮液的電導(dǎo)率。調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器上的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，把電壓調(diào)到150V，在室溫（21）下用電導(dǎo)率儀測(cè)量在加超聲后1min內(nèi)懸浮液的電導(dǎo)率，每隔1

7、5s測(cè)一次，從懸浮液放入超聲發(fā)生器時(shí)測(cè)量第一次，并用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，在超聲環(huán)境中一共測(cè)量5次，測(cè)量五組數(shù)據(jù)后關(guān)閉超聲發(fā)生器。在被測(cè)懸浮液加超聲之前測(cè)量一次懸浮液的電導(dǎo)率，然后取出懸浮液后再測(cè)量一次。圖2. 磁場(chǎng)的加載方式再做一次實(shí)驗(yàn)，配制方法如前文所述，為了排除實(shí)驗(yàn)中溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中懸浮液置于空化杯外，每隔15s將插著電極的懸浮液置于換能器內(nèi)，測(cè)量此時(shí)懸浮液的電導(dǎo)率。在室溫（21）下用電導(dǎo)率儀測(cè)量在加超聲后1min內(nèi)懸浮液的電導(dǎo)率，每隔15s測(cè)一次，從懸浮液放入空化杯時(shí)測(cè)量第一次，并用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，在超聲環(huán)境中一共測(cè)量5次，測(cè)量五組數(shù)據(jù)后關(guān)閉超聲發(fā)生器。調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器上的電壓調(diào)節(jié)旋

8、鈕，從25V開(kāi)始，每測(cè)完一組數(shù)據(jù)后，再把電壓增大25V，一直增大到250V。最后把同一電壓下的電導(dǎo)率值求平均值。然后在加上磁場(chǎng)，在超聲空化杯兩端各放置一個(gè)永久磁鐵，用高斯計(jì)測(cè)得磁場(chǎng)的中心磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為15.6mT，在加上磁場(chǎng)30min后再測(cè)量，重復(fù)剛才的實(shí)驗(yàn)操作。圖3. 不同濃度的SiO2納米微粒懸浮液，在加超聲作用前后溶液電導(dǎo)率的變化3 結(jié)果與討論3.1三種不同懸浮液在加超聲前后與超聲過(guò)程中懸浮液電導(dǎo)率的變化測(cè)得SiO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液、Fe3O4納米微粒水懸浮液，在施加聲場(chǎng)前后電導(dǎo)率的測(cè)量值經(jīng)擬合后分別如圖3、圖4、圖5所示。由圖3、圖4、圖5可以看出：（1

9、）超聲波作用于SiO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液、Fe3O4納米微粒水懸浮液的電導(dǎo)率都有相同的變化趨勢(shì)，電導(dǎo)率先明顯減小，然后保持基本不變，最后再明顯增大。在同一濃度、同一功率下，當(dāng)懸浮液未加超聲時(shí)（即t=12s時(shí)），懸浮液電導(dǎo)率比較大，在進(jìn)入超聲環(huán)境之后，懸浮液電導(dǎo)率會(huì)迅速降低；當(dāng)將懸浮液從超聲環(huán)境中取出時(shí)（即t=78s時(shí)），可以看到，懸浮液電導(dǎo)率又迅速增大，且比初始值略大一點(diǎn)。并且三種懸浮液在不同濃度下均顯示出相似的規(guī)律。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：懸浮液未進(jìn)入超聲環(huán)境之前，懸浮液本身并未發(fā)生改變，其保持自己的特性不變；當(dāng)將懸浮液置入超聲環(huán)境中時(shí)，由于超聲作用使得懸浮液本身產(chǎn)

10、生空化效應(yīng)，這時(shí)懸浮液內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定量的氣泡，由于氣體不導(dǎo)電，氣泡的存在使得單位體積內(nèi)懸浮液的導(dǎo)電離子數(shù)目減少，因此，懸浮液的電導(dǎo)率會(huì)迅速下降7，取出懸浮液后，由于懸浮液不再有空化效應(yīng)，所以電導(dǎo)率又增大。圖4. 不同濃度的Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液，在加超聲作用前后溶液電導(dǎo)率的變化圖5. 不同濃度的Fe3O4納米微粒懸浮液，在加超聲作用前后溶液電導(dǎo)率的變化（2）不同懸浮液，電導(dǎo)率差距較大。對(duì)于SiO2納米微粒水懸浮液，電導(dǎo)率的數(shù)量級(jí)在102 us/cm左右，但是對(duì)于Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液和Fe3O4納米微粒水懸浮液的電導(dǎo)率都在100 us/cm數(shù)量級(jí)，這是由不同微粒的懸浮液本身決定的；

11、而對(duì)于同一懸浮液，不同的濃度，電導(dǎo)率也不相同，濃度越大，電導(dǎo)率也越大，盡管三種濃度的變化趨勢(shì)大致相同，但是不同濃度的變化快慢不一樣，當(dāng)加入超聲后，濃度大的懸浮液電導(dǎo)率減小得越快，這是由于濃度越大，懸浮液中單位體積內(nèi)的導(dǎo)電粒子數(shù)目越多，所以電導(dǎo)率越大，而有超聲作用時(shí)，由于懸浮液中產(chǎn)生空化效應(yīng)，濃度大的懸浮液，單位體積內(nèi)減少的粒子數(shù)目更多，所以電導(dǎo)率減小更快；從圖中還可以看出, 在一定功率的超聲波作用下,懸浮液的電導(dǎo)率也有小幅度的變化。在實(shí)驗(yàn)觀(guān)察引起的誤差范圍內(nèi)電導(dǎo)率幾乎不隨時(shí)間變化，說(shuō)明超聲作用時(shí)間不是懸浮液電導(dǎo)率變化的主要影響因素。3.2三種不同濃度的懸浮液在磁場(chǎng)作用下電導(dǎo)率的變化不同濃度的S

12、iO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液和Fe3O4納米微粒水懸浮液放入永磁鐵形成的溫恒磁場(chǎng)中。當(dāng)超聲波發(fā)生器電壓從25V-250V的變化時(shí)，電導(dǎo)率變化見(jiàn)圖6、圖7、圖8?？梢?jiàn)：圖6. 在加磁場(chǎng)前后不同濃度的SiO2納米微粒懸浮液在不同功率超聲波作用下溶液電導(dǎo)率的變化（1）不同濃度的SiO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液和Fe3O4納米微粒水懸浮液在超聲波的作用下，當(dāng)電壓從25V-150V的變化中，懸浮液的電導(dǎo)率的變化有明顯的下降趨勢(shì)；在150V時(shí)，電導(dǎo)率有最小值；而在電壓從150V-250V的變化中，懸浮液的電導(dǎo)率有增大的趨勢(shì)，但是幅度較小。并且不管有沒(méi)有加磁場(chǎng)，

13、懸浮液的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)都大致相同。圖7. 在加磁場(chǎng)前后不同濃度的Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液在不同功率超聲波作用下溶液電導(dǎo)率的變化 圖8. 在加磁場(chǎng)前后不同濃度的Fe3O4納米微粒懸浮液在不同功率超聲波作用下溶液電導(dǎo)率的變化造成此現(xiàn)象的原因可能是由于超聲波作用于懸浮液時(shí)，懸浮液中產(chǎn)生空化效應(yīng)，其內(nèi)部出現(xiàn)一定量的氣泡，而氣體本身是不導(dǎo)電的，所以，氣泡的存在使得單位時(shí)間單位體積內(nèi)懸浮液的導(dǎo)電離子數(shù)目減少，懸浮液的電導(dǎo)率降低；隨著超聲波功率的不斷增大，懸浮液內(nèi)部單位體積內(nèi)空化氣泡的數(shù)量就越來(lái)越多，所以電導(dǎo)率隨功率增大而減小 7，但是當(dāng)超聲波功率增大到一定值時(shí)，懸浮液內(nèi)的空化泡群的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，則電導(dǎo)

14、率也會(huì)有所變化，空化泡破裂之后懸浮液的電導(dǎo)率則有稍微的增大，但是增大幅度不明顯，因?yàn)榭栈萜屏阎髮⒂幸徊糠謿怏w溶解到懸浮液中，再加上其他區(qū)域溶解的氣體，可以補(bǔ)充損失的空化核，因此空化泡群結(jié)構(gòu)在建立之后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；而且當(dāng)功率增大到一定程度，空化效應(yīng)足以引起的局部瞬態(tài)高溫高壓、微射流和沖擊波，減少了懸浮液內(nèi)導(dǎo)電離子定向移動(dòng)的粘滯阻力，移動(dòng)速度加快，能在一定程度上增加懸浮液的導(dǎo)電性能8，并且在功率較高時(shí)，懸浮液的溫度增加較快，而溫度的變化對(duì)懸浮液電導(dǎo)率有一定的影響，從而電導(dǎo)率又開(kāi)始緩慢增加。（2）對(duì)于不同濃度的SiO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液和Fe3O4納米微粒水懸浮液

15、，在加磁場(chǎng)和不加磁場(chǎng)兩種情況下，懸浮液的電導(dǎo)率是有明顯的變化，在加上磁場(chǎng)后，同一濃度的懸浮液電導(dǎo)率都增大，而且對(duì)于三種不同物質(zhì)不同濃度的懸浮液都有相似的變化規(guī)律。這是由于水分子H2O為三原子分子，氫氧鍵(H-O)的鍵能為4.8 eV。常溫下液態(tài)水中的分子熱運(yùn)動(dòng)引起的“碰撞”能將粒子加速，可以提供克服勢(shì)壘為5 eV所需能量的加速粒子。而5 eV大于4.8 eV，因而能夠斷開(kāi)H-O鍵，出現(xiàn)了水的動(dòng)態(tài)微離解：H2OH+ + OH，所以常溫下水有微弱的導(dǎo)電能力。當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于水后，因?yàn)槁鍋銎澚?duì)水中的粒子做功，增大了內(nèi)能，使液態(tài)水中粒子更加劇烈碰撞，能提供更大的的能量以克服勢(shì)壘以斷裂H-O鍵，使水中

16、存在的OH濃度增大9，所以電導(dǎo)率增大。 物質(zhì)中原子核的自旋、電子的自旋和電子繞原子核的旋轉(zhuǎn)都形成微觀(guān)電流，每形成的微觀(guān)電流都成為一個(gè)磁偶極子而具有一定的磁矩。在外磁場(chǎng)中，偶極子將受到力矩的作用，具體地分為兩種情況：對(duì)于繞核旋轉(zhuǎn)的電子產(chǎn)生的磁矩，當(dāng)存在外磁場(chǎng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)的電子受到洛倫茲力的作用，洛侖茲力的方向?yàn)関 × B 的方向（ v 為電子運(yùn)動(dòng)的方向） ；對(duì)于與B 的方向一致的磁矩，電子所受洛侖茲力的方向?qū)⒀匦D(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑向外。于是向心力將比不存在磁場(chǎng)時(shí)要小些。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓周的半徑不變時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度將減小，因此洛侖茲力作用的效果是使與B 方向相同的磁矩減小。而對(duì)于B 方向相反的磁矩，洛侖茲

17、力作用的效果是使磁矩增加。所以，洛倫茲力的總效果是在逆著外磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生磁矩，可以理解為電子繞核旋轉(zhuǎn)的磁矩在外磁場(chǎng)作用下將向外磁場(chǎng)相反的方向偏轉(zhuǎn)。而電子自旋的磁矩在外磁場(chǎng)作用下將轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向10 。 在磁場(chǎng)作用下，水分子內(nèi)電子產(chǎn)生的磁矩會(huì)向著磁場(chǎng)方向或逆著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，從而使水分子的電子云發(fā)生極化，使離子水化層受到破壞。這樣減弱了離子的水化作用，使中心離子在運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力減小，懸浮液的電導(dǎo)率升高，這也是含有蒸餾水的懸浮液的電導(dǎo)率在磁場(chǎng)作用下增大的原因11。4 結(jié)論在超聲波作用下, 懸浮液的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。本文從電導(dǎo)率的角度通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波與納米微粒懸浮液的相互作用以及磁場(chǎng)對(duì)納米微粒

18、懸浮液電導(dǎo)率的影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）超聲空化可以改變納米微粒懸浮液的電導(dǎo)率,使納米微粒懸浮液電導(dǎo)率減小；并且電導(dǎo)率的改變與空化強(qiáng)度有直接聯(lián)系, 隨著電壓的逐漸升高，電導(dǎo)率變化都呈先下降后略微增大的趨勢(shì)；當(dāng)空化強(qiáng)度較小時(shí), 空化能量對(duì)懸浮液本身結(jié)構(gòu)影響也較小, 電導(dǎo)率變化由于受空化而產(chǎn)生的氣泡和空穴影響, 電導(dǎo)率逐漸降低； 當(dāng)空化效應(yīng)足以在懸浮液內(nèi)引起的局部瞬態(tài)高溫高壓、沖擊波和微射流后, 電導(dǎo)率的變化除了受氣泡和空穴的影響外, 還受局部瞬態(tài)高溫高壓、沖擊波和微射流產(chǎn)生的新帶電粒子的影響, 電導(dǎo)率又緩慢增大。（2）磁場(chǎng)作用后納米微粒懸浮液的電導(dǎo)率升高。當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于水后，因?yàn)槁鍋?/p>

19、茲力對(duì)水中的粒子做功，增大了內(nèi)能，使液態(tài)水中粒子更加劇烈碰撞，能提供更大的的能量以克服勢(shì)壘以斷裂H-O鍵，使水中存在的OH濃度增大；并且磁場(chǎng)引起了水分子的磁矩轉(zhuǎn)向，使其電子云發(fā)生極化，破壞了懸浮液中離子的水化層，削弱了懸浮液的電泳效應(yīng)，從而使懸浮液的電導(dǎo)率增加。 參考文獻(xiàn)1 馮若，李化茂. 聲化學(xué)及其應(yīng)用M.合肥：安徽科技出版社，1992.052 Oxley J D. Environmental Applications of UltrasoundD. The University of Illinois, 2003.3 陳華茂, 吳華強(qiáng). 超聲波在電鍍中的應(yīng)用J. 化學(xué)世界, 2003(2)

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24、articles aqueous solution. Will be equipped with a solution of thin wall plastic pipe in a cup of ultrasonic cavitation is equipped with running water, change the size of the ultrasonic generator power, electrical conductivity meter was used to measure conductivity changes; Repeat the above test after combined with magnetic field. Experimental results: when the solution produce cavitation effect, the solution conductivity decreases rapidly, cavitation effect disappeared after the solution conductivity increases rapidly,