物理學專業(yè)畢業(yè)論文 功率超聲和磁場對納米微粒懸浮液電導率的影響

1、分類號：O426.4本科生畢業(yè)論文（設計）題目：功率超聲和磁場對納米微粒懸浮液電導率的影響作者單位物理學與信息技術學院作者姓名高毅專業(yè)物理學指導教師（職稱）莫潤陽（副教授）論文（設計）完成時間二O一三年五月功率超聲和磁場對納米微粒懸浮液電導率的影響高毅（陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安，710062）摘要：實驗研究了在不同功率的超聲和磁場作用下不同濃度的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率的變化。將裝有懸浮液的薄壁塑料管置于裝有自來水的超聲空化杯當中，改變超聲發(fā)生器功率的大小，用電導率儀測量電導率的變化；在加上15.6mT的磁場后

2、再重復上述實驗。實驗結果：當懸浮液產(chǎn)生空化效應時，懸浮液電導率迅速減小，空化效應消失后，懸浮液電導率迅速增大，并且比空化前的初始值略大；當電壓從25V-250V的變化過程中，電導率變化都呈先下降后略微增大的趨勢；而且磁場會使懸浮液的電導率增大。關鍵詞：磁場；超聲空化；電導率；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歸納為機械效應，熱學效應和空化效應三種，其中空化效應是聲化學反應的主動力1。當超聲波在懸浮液體系中傳播時，能有效的改善和強化一些懸浮液的物理化學性質及過程，如懸浮液表面張力、粘度、電導率等等，懸浮液的這些物化性質對其在生產(chǎn)實際中的用途及用法

3、起著決定性的作用。目前超聲波技術已廣泛應用于化工、冶金、醫(yī)療等領域2-4。 隨著醫(yī)學技術的發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高，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今的研究熱點。在這方面，納米Fe3O4可能會扮演重要的角色。例如，在靶向藥物方面，利用Fe3O4作為吸附劑，采用磁分離技術來制備生物高分子微球用于靶向藥物等的研究已成為當前生物醫(yī)學的熱門課題。它以磁性微球為藥物載體，在外磁場的作用下，通過動脈注入到腫瘤組織，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。目前，這方面的研究還處于初始階段，有著廣闊的前景5-6。

4、在物理和化學實驗中，對不同功率超聲作用于納米微粒懸浮液時電導率的變化情況關注不夠，并且在加上磁場以后，它們的變化又會怎樣？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率的變化情況，并以SiO2 納米微粒水懸浮液作為對比組；并測量了在磁場作用下，三種懸浮液電導率的變化情況。根據(jù)實驗結果，分析了功率超聲、磁場、濃度對懸浮液電導率的影響。2材料和方法2.1 主要實驗材料圖1. 實驗裝置圖Fe3O4納米微粒、SiO2納米微粒、二次蒸餾水、無水乙

5、醇。實驗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（上海亨通磁電科技有限公司）、溫度計。2.2 實驗裝置和方法本實驗所采用的實驗裝置如圖1所示，磁場加載方式如圖2所示。首先UGD超聲發(fā)生器產(chǎn)生脈沖超聲信號，經(jīng)超聲功率放大器放大，加載至超聲換能器，將超聲發(fā)生器的工作頻率調節(jié)

6、至共振頻率(本次實驗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，調節(jié)超聲發(fā)生器上的電壓調節(jié)旋鈕，可以改變功率的大小。實驗之前，配制好不同濃度的三種懸浮液，在超聲空化杯中加入3/4容積的自來水，用10mL的薄壁塑料管（壁厚0.3mm，如果塑料管管壁太厚，會極大的削弱超聲空化）取6mL懸浮液，測量的時候將薄壁塑料管置于自來水中，再將電導率儀電極插入塑料管浸沒在懸浮液中，這樣就可以讀出懸浮液的電導率。調節(jié)超聲發(fā)生器上的電壓調節(jié)旋鈕，把電壓調到150V，在室溫（21）下用電導率儀測量在加超聲后1min內懸浮液的電導率，每隔15s測一次，從懸浮液放入超聲發(fā)生器時測量第一次，并用秒表開

7、始計時，在超聲環(huán)境中一共測量5次，測量五組數(shù)據(jù)后關閉超聲發(fā)生器。在被測懸浮液加超聲之前測量一次懸浮液的電導率，然后取出懸浮液后再測量一次。圖2. 磁場的加載方式再做一次實驗，配制方法如前文所述，為了排除實驗中溫度對電導率的影響，實驗過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，測量此時懸浮液的電導率。在室溫（21）下用電導率儀測量在加超聲后1min內懸浮液的電導率，每隔15s測一次，從懸浮液放入空化杯時測量第一次，并用秒表開始計時，在超聲環(huán)境中一共測量5次，測量五組數(shù)據(jù)后關閉超聲發(fā)生器。調節(jié)超聲發(fā)生器上的電壓調節(jié)旋鈕，從25V開始，每測完一組數(shù)據(jù)后，再把電壓增大25V，一

8、直增大到250V。最后把同一電壓下的電導率值求平均值。然后在加上磁場，在超聲空化杯兩端各放置一個永久磁鐵，用高斯計測得磁場的中心磁感應強度大小為15.6mT，在加上磁場30min后再測量，重復剛才的實驗操作。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率的變化3結果與討論3.1三種不同懸浮液在加超聲前后與超聲過程中懸浮液電導率的變化測得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，在施加聲場前后電導率的測量值經(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）超聲波作用于SiO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙

9、醇懸浮液、Fe3O4納米微粒水懸浮液的電導率都有相同的變化趨勢，電導率先明顯減小，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，當懸浮液未加超聲時（即t=12s時），懸浮液電導率比較大，在進入超聲環(huán)境之后，懸浮液電導率會迅速降低；當將懸浮液從超聲環(huán)境中取出時（即t=78s時），可以看到，懸浮液電導率又迅速增大，且比初始值略大一點。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；當將懸浮液置入超聲環(huán)境中時，由于超聲作用使得懸浮液本身產(chǎn)生空化效應，這時懸浮液內部會產(chǎn)生一定量的氣泡，由于氣體不導電

10、，氣泡的存在使得單位體積內懸浮液的導電離子數(shù)目減少，因此，懸浮液的電導率會迅速下降7，取出懸浮液后，由于懸浮液不再有空化效應，所以電導率又增大。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率的變化（2）不同懸浮液，電導率差距較大。對于SiO2納米微粒水懸浮液，電導率的數(shù)量級在102 us/cm左右，但是對于Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液和Fe3O4納米微粒水懸浮液的電導率都在100 us/cm數(shù)量級，這是由不同微粒的懸浮液本身決定的；而對于同一懸浮液，不同的濃度，電導率也不相同，濃度越大，電導

11、率也越大，盡管三種濃度的變化趨勢大致相同，但是不同濃度的變化快慢不一樣，當加入超聲后，濃度大的懸浮液電導率減小得越快，這是由于濃度越大，懸浮液中單位體積內的導電粒子數(shù)目越多，所以電導率越大，而有超聲作用時，由于懸浮液中產(chǎn)生空化效應，濃度大的懸浮液，單位體積內減少的粒子數(shù)目更多，所以電導率減小更快；從圖中還可以看出, 在一定功率的超聲波作用下,懸浮液的電導率也有小幅度的變化。在實驗觀察引起的誤差范圍內電導率幾乎不隨時間變化，說明超聲作用時間不是懸浮液電導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作用下電導率的變化不同濃度的SiO2納米微粒水懸浮液、Fe3O4納米微粒乙醇懸浮液和Fe3

12、O4納米微粒水懸浮液放入永磁鐵形成的溫恒磁場中。當超聲波發(fā)生器電壓從25V-250V的變化時，電導率變化見圖6、圖7、圖8?？梢姡簣D6. 在加磁場前后不同濃度的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，當電壓從25V-150V的變化中，懸浮液的電導率的變化有明顯的下降趨勢；在150V時，電導率有最小值；而在電壓從150V-250V的變化中，懸浮液的電導率有增大的趨勢，但是幅度較小。并且不管有沒有加磁場，懸浮液的電導率變化趨勢都大致相同。圖7. 在加磁場前后不同濃

13、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率的變化 圖8. 在加磁場前后不同濃度的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，懸浮液中產(chǎn)生空化效應，其內部出現(xiàn)一定量的氣泡，而氣體本身是不導電的，所以，氣泡的存在使得單位時間單位體積內懸浮液的導電離子數(shù)目減少，懸浮液的電導率降低；隨著超聲波功率的不斷增大，懸浮液內部單位體積內空化氣泡的數(shù)量就越來越多，所以電導率隨功率增大而減小 7，但是當超聲波功率增大到一定值時，懸浮液內的空化泡群的結構發(fā)生改變，則電導率也會有所變化，空化泡破裂之后懸浮液的電導率則有稍微的增大，

14、但是增大幅度不明顯，因為空化泡破裂之后將有一部分氣體溶解到懸浮液中，再加上其他區(qū)域溶解的氣體，可以補充損失的空化核，因此空化泡群結構在建立之后達到動態(tài)平衡狀態(tài)；而且當功率增大到一定程度，空化效應足以引起的局部瞬態(tài)高溫高壓、微射流和沖擊波，減少了懸浮液內導電離子定向移動的粘滯阻力，移動速度加快，能在一定程度上增加懸浮液的導電性能8，并且在功率較高時，懸浮液的溫度增加較快，而溫度的變化對懸浮液電導率有一定的影響，從而電導率又開始緩慢增加。（2）對于不同濃度的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，在加磁場和不加磁場兩種情況下，懸浮液的電導率是有明顯的變化

15、，在加上磁場后，同一濃度的懸浮液電導率都增大，而且對于三種不同物質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)水中的分子熱運動引起的“碰撞”能將粒子加速，可以提供克服勢壘為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H-O鍵，出現(xiàn)了水的動態(tài)微離解：H2OH+ + OH，所以常溫下水有微弱的導電能力。當外加磁場作用于水后，因為洛侖茲力對水中的粒子做功，增大了內能，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壘以斷裂H-O鍵，使水中存在的OH濃度增大9，所以電導率增大。物質中原子核的自旋、電

16、子的自旋和電子繞原子核的旋轉都形成微觀電流，每形成的微觀電流都成為一個磁偶極子而具有一定的磁矩。在外磁場中，偶極子將受到力矩的作用，具體地分為兩種情況：對于繞核旋轉的電子產(chǎn)生的磁矩，當存在外磁場時，運動的電子受到洛倫茲力的作用，洛侖茲力的方向為v × B的方向（v為電子運動的方向）；對于與B的方向一致的磁矩，電子所受洛侖茲力的方向將沿旋轉圓周運動的半徑向外。于是向心力將比不存在磁場時要小些。當旋轉圓周的半徑不變時，運動速度將減小，因此洛侖茲力作用的效果是使與B方向相同的磁矩減小。而對于B方向相反的磁矩，洛侖茲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的方向上產(chǎn)生磁

17、矩，可以理解為電子繞核旋轉的磁矩在外磁場作用下將向外磁場相反的方向偏轉。而電子自旋的磁矩在外磁場作用下將轉向外磁場方向10 。在磁場作用下，水分子內電子產(chǎn)生的磁矩會向著磁場方向或逆著磁場方向轉向，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，使中心離子在運動時的摩擦力減小，懸浮液的電導率升高，這也是含有蒸餾水的懸浮液的電導率在磁場作用下增大的原因11。4 結論在超聲波作用下, 懸浮液的物理化學性質會發(fā)生變化。本文從電導率的角度通過實驗對超聲波與納米微粒懸浮液的相互作用以及磁場對納米微粒懸浮液電導率的影響進行了研究，實驗結果表明：（1）超聲空化可以改變納米微粒懸浮

18、液的電導率,使納米微粒懸浮液電導率減??；并且電導率的改變與空化強度有直接聯(lián)系, 隨著電壓的逐漸升高，電導率變化都呈先下降后略微增大的趨勢；當空化強度較小時, 空化能量對懸浮液本身結構影響也較小, 電導率變化由于受空化而產(chǎn)生的氣泡和空穴影響, 電導率逐漸降低；當空化效應足以在懸浮液內引起的局部瞬態(tài)高溫高壓、沖擊波和微射流后, 電導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, 電導率又緩慢增大。（2）磁場作用后納米微粒懸浮液的電導率升高。當外加磁場作用于水后，因為洛侖茲力對水中的粒子做功，增大了內能，使液態(tài)水中粒子更加劇烈碰撞，能提供更大的的能量

19、以克服勢壘以斷裂H-O鍵，使水中存在的OH濃度增大；并且磁場引起了水分子的磁矩轉向，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，從而使懸浮液的電導率增加。 參考文獻1 馮若，李化茂. 聲化學及其應用M.合肥：安徽科技出版社，1992.052Oxley J D. Environmental Applications of UltrasoundD. The University of Illinois, 2003.3陳華茂, 吳華強. 超聲波在電鍍中的應用J. 化學世界, 2003(2):97-98.4 朱國輝, 丘泰球, 黃卓烈. 超聲波在萃取中的應用J. 聲學技術,

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23、，China)Abstract:Experiment was studied under different power ultrasound and magnetic field under the action of different concentration of Fe3O4 nanoparticles, Fe3O4 nanoparticles aqueous ethanol solution and the change of the conductivity of SiO2 nanoparticles aqueous solution. Will be equipped with

24、 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,