物理学专业毕业论文 功率超声和磁场对纳米微粒悬浮液电导率的影响

1、分类号：O426.4本科生毕业论文（设计）题目：功率超声和磁场对纳米微粒悬浮液电导率的影响作者单位物理学与信息技术学院作者姓名高毅专业物理学指导教师（职称）莫润阳（副教授）论文（设计）完成时间二O一三年五月功率超声和磁场对纳米微粒悬浮液电导率的影响高毅（陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安，710062）摘要：实验研究了在不同功率的超声和磁场作用下不同浓度的Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液、Fe3O4纳米微粒水悬浮液和SiO2 纳米微粒水悬浮液电导率的变化。将装有悬浮液的薄壁塑料管置于装有自来水的超声空化杯当中，改变超声发生器功率的大小，用电导率仪测量电导率的变化；在加上15.6mT的磁场后

2、再重复上述实验。实验结果：当悬浮液产生空化效应时，悬浮液电导率迅速减小，空化效应消失后，悬浮液电导率迅速增大，并且比空化前的初始值略大；当电压从25V-250V的变化过程中，电导率变化都呈先下降后略微增大的趋势；而且磁场会使悬浮液的电导率增大。关键词：磁场；超声空化；电导率；悬浮液1引言超声波是指频率高于2×104 Hz 的声波，一般将超声作用效应归纳为机械效应，热学效应和空化效应三种，其中空化效应是声化学反应的主动力1。当超声波在悬浮液体系中传播时，能有效的改善和强化一些悬浮液的物理化学性质及过程，如悬浮液表面张力、粘度、电导率等等，悬浮液的这些物化性质对其在生产实际中的用途及用法

3、起着决定性的作用。目前超声波技术已广泛应用于化工、冶金、医疗等领域2-4。 随着医学技术的发展，人们对药物的需求越来越高，控制药物释放、减小副作用、提高药效、发展药物定向治疗已成为当今的研究热点。在这方面，纳米Fe3O4可能会扮演重要的角色。例如，在靶向药物方面，利用Fe3O4作为吸附剂，采用磁分离技术来制备生物高分子微球用于靶向药物等的研究已成为当前生物医学的热门课题。它以磁性微球为药物载体，在外磁场的作用下，通过动脉注入到肿瘤组织，把载体定向到肿瘤部位，使所含药物得到定位释放，集中在病变部位发生作用，具有高效、速效、生物相容性等优点。目前，这方面的研究还处于初始阶段，有着广阔的前景5-6。

4、在物理和化学实验中，对不同功率超声作用于纳米微粒悬浮液时电导率的变化情况关注不够，并且在加上磁场以后，它们的变化又会怎样？本文用Fe3O4纳米微粒配制不同浓度的Fe3O4纳米微粒水悬浮液和 Fe3O4 微粒乙醇悬浮液，在室温下（21）测量不同的功率超声作用下，Fe3O4 纳米微粒水悬浮液和 Fe3O4 纳米微粒乙醇悬浮液电导率的变化情况，并以SiO2 纳米微粒水悬浮液作为对比组；并测量了在磁场作用下，三种悬浮液电导率的变化情况。根据实验结果，分析了功率超声、磁场、浓度对悬浮液电导率的影响。2材料和方法2.1 主要实验材料图1. 实验装置图Fe3O4纳米微粒、SiO2纳米微粒、二次蒸馏水、无水乙

5、醇。实验中所用的悬浮液为以乙醇为溶剂的Fe3O4纳米微粒悬浮液、以二次蒸馏水为溶剂的Fe3O4纳米微粒悬浮液和以二次蒸馏水为溶剂的SiO2纳米微粒悬浮液；Fe3O4纳米微粒的颗粒大小在200-300nm，SiO2纳米微粒的颗粒大小为50nm。DDS-11A型电导率仪（上海雷磁创益仪器仪表有限公司）、UGD超声发生器(南京瀚州科技有限公司，输入电压0-300V)、换能器、高斯计（上海亨通磁电科技有限公司）、温度计。2.2 实验装置和方法本实验所采用的实验装置如图1所示，磁场加载方式如图2所示。首先UGD超声发生器产生脉冲超声信号，经超声功率放大器放大，加载至超声换能器，将超声发生器的工作频率调节

6、至共振频率(本次实验中使用的共振频率为26kHz左右)，在超声空化杯中产生空化效应，调节超声发生器上的电压调节旋钮，可以改变功率的大小。实验之前，配制好不同浓度的三种悬浮液，在超声空化杯中加入3/4容积的自来水，用10mL的薄壁塑料管（壁厚0.3mm，如果塑料管管壁太厚，会极大的削弱超声空化）取6mL悬浮液，测量的时候将薄壁塑料管置于自来水中，再将电导率仪电极插入塑料管浸没在悬浮液中，这样就可以读出悬浮液的电导率。调节超声发生器上的电压调节旋钮，把电压调到150V，在室温（21）下用电导率仪测量在加超声后1min内悬浮液的电导率，每隔15s测一次，从悬浮液放入超声发生器时测量第一次，并用秒表开

7、始计时，在超声环境中一共测量5次，测量五组数据后关闭超声发生器。在被测悬浮液加超声之前测量一次悬浮液的电导率，然后取出悬浮液后再测量一次。图2. 磁场的加载方式再做一次实验，配制方法如前文所述，为了排除实验中温度对电导率的影响，实验过程中悬浮液置于空化杯外，每隔15s将插着电极的悬浮液置于换能器内，测量此时悬浮液的电导率。在室温（21）下用电导率仪测量在加超声后1min内悬浮液的电导率，每隔15s测一次，从悬浮液放入空化杯时测量第一次，并用秒表开始计时，在超声环境中一共测量5次，测量五组数据后关闭超声发生器。调节超声发生器上的电压调节旋钮，从25V开始，每测完一组数据后，再把电压增大25V，一

8、直增大到250V。最后把同一电压下的电导率值求平均值。然后在加上磁场，在超声空化杯两端各放置一个永久磁铁，用高斯计测得磁场的中心磁感应强度大小为15.6mT，在加上磁场30min后再测量，重复刚才的实验操作。图3. 不同浓度的SiO2纳米微粒悬浮液，在加超声作用前后溶液电导率的变化3结果与讨论3.1三种不同悬浮液在加超声前后与超声过程中悬浮液电导率的变化测得SiO2纳米微粒水悬浮液、Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液、Fe3O4纳米微粒水悬浮液，在施加声场前后电导率的测量值经拟合后分别如图3、图4、图5所示。由图3、图4、图5可以看出：（1）超声波作用于SiO2纳米微粒水悬浮液、Fe3O4纳米微粒乙

9、醇悬浮液、Fe3O4纳米微粒水悬浮液的电导率都有相同的变化趋势，电导率先明显减小，然后保持基本不变，最后再明显增大。在同一浓度、同一功率下，当悬浮液未加超声时（即t=12s时），悬浮液电导率比较大，在进入超声环境之后，悬浮液电导率会迅速降低；当将悬浮液从超声环境中取出时（即t=78s时），可以看到，悬浮液电导率又迅速增大，且比初始值略大一点。并且三种悬浮液在不同浓度下均显示出相似的规律。产生这一现象的原因是：悬浮液未进入超声环境之前，悬浮液本身并未发生改变，其保持自己的特性不变；当将悬浮液置入超声环境中时，由于超声作用使得悬浮液本身产生空化效应，这时悬浮液内部会产生一定量的气泡，由于气体不导电

10、，气泡的存在使得单位体积内悬浮液的导电离子数目减少，因此，悬浮液的电导率会迅速下降7，取出悬浮液后，由于悬浮液不再有空化效应，所以电导率又增大。图4. 不同浓度的Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液，在加超声作用前后溶液电导率的变化图5. 不同浓度的Fe3O4纳米微粒悬浮液，在加超声作用前后溶液电导率的变化（2）不同悬浮液，电导率差距较大。对于SiO2纳米微粒水悬浮液，电导率的数量级在102 us/cm左右，但是对于Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液和Fe3O4纳米微粒水悬浮液的电导率都在100 us/cm数量级，这是由不同微粒的悬浮液本身决定的；而对于同一悬浮液，不同的浓度，电导率也不相同，浓度越大，电导

11、率也越大，尽管三种浓度的变化趋势大致相同，但是不同浓度的变化快慢不一样，当加入超声后，浓度大的悬浮液电导率减小得越快，这是由于浓度越大，悬浮液中单位体积内的导电粒子数目越多，所以电导率越大，而有超声作用时，由于悬浮液中产生空化效应，浓度大的悬浮液，单位体积内减少的粒子数目更多，所以电导率减小更快；从图中还可以看出, 在一定功率的超声波作用下,悬浮液的电导率也有小幅度的变化。在实验观察引起的误差范围内电导率几乎不随时间变化，说明超声作用时间不是悬浮液电导率变化的主要影响因素。3.2三种不同浓度的悬浮液在磁场作用下电导率的变化不同浓度的SiO2纳米微粒水悬浮液、Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液和Fe3

12、O4纳米微粒水悬浮液放入永磁铁形成的温恒磁场中。当超声波发生器电压从25V-250V的变化时，电导率变化见图6、图7、图8。可见：图6. 在加磁场前后不同浓度的SiO2纳米微粒悬浮液在不同功率超声波作用下溶液电导率的变化（1）不同浓度的SiO2纳米微粒水悬浮液、Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液和Fe3O4纳米微粒水悬浮液在超声波的作用下，当电压从25V-150V的变化中，悬浮液的电导率的变化有明显的下降趋势；在150V时，电导率有最小值；而在电压从150V-250V的变化中，悬浮液的电导率有增大的趋势，但是幅度较小。并且不管有没有加磁场，悬浮液的电导率变化趋势都大致相同。图7. 在加磁场前后不同浓

13、度的Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液在不同功率超声波作用下溶液电导率的变化 图8. 在加磁场前后不同浓度的Fe3O4纳米微粒悬浮液在不同功率超声波作用下溶液电导率的变化造成此现象的原因可能是由于超声波作用于悬浮液时，悬浮液中产生空化效应，其内部出现一定量的气泡，而气体本身是不导电的，所以，气泡的存在使得单位时间单位体积内悬浮液的导电离子数目减少，悬浮液的电导率降低；随着超声波功率的不断增大，悬浮液内部单位体积内空化气泡的数量就越来越多，所以电导率随功率增大而减小 7，但是当超声波功率增大到一定值时，悬浮液内的空化泡群的结构发生改变，则电导率也会有所变化，空化泡破裂之后悬浮液的电导率则有稍微的增大，

14、但是增大幅度不明显，因为空化泡破裂之后将有一部分气体溶解到悬浮液中，再加上其他区域溶解的气体，可以补充损失的空化核，因此空化泡群结构在建立之后达到动态平衡状态；而且当功率增大到一定程度，空化效应足以引起的局部瞬态高温高压、微射流和冲击波，减少了悬浮液内导电离子定向移动的粘滞阻力，移动速度加快，能在一定程度上增加悬浮液的导电性能8，并且在功率较高时，悬浮液的温度增加较快，而温度的变化对悬浮液电导率有一定的影响，从而电导率又开始缓慢增加。（2）对于不同浓度的SiO2纳米微粒水悬浮液、Fe3O4纳米微粒乙醇悬浮液和Fe3O4纳米微粒水悬浮液，在加磁场和不加磁场两种情况下，悬浮液的电导率是有明显的变化

15、，在加上磁场后，同一浓度的悬浮液电导率都增大，而且对于三种不同物质不同浓度的悬浮液都有相似的变化规律。这是由于水分子H2O为三原子分子，氢氧键(H-O)的键能为4.8 eV。常温下液态水中的分子热运动引起的“碰撞”能将粒子加速，可以提供克服势垒为5 eV所需能量的加速粒子。而5 eV大于4.8 eV，因而能够断开H-O键，出现了水的动态微离解：H2OH+ + OH，所以常温下水有微弱的导电能力。当外加磁场作用于水后，因为洛仑兹力对水中的粒子做功，增大了内能，使液态水中粒子更加剧烈碰撞，能提供更大的的能量以克服势垒以断裂H-O键，使水中存在的OH浓度增大9，所以电导率增大。物质中原子核的自旋、电

16、子的自旋和电子绕原子核的旋转都形成微观电流，每形成的微观电流都成为一个磁偶极子而具有一定的磁矩。在外磁场中，偶极子将受到力矩的作用，具体地分为两种情况：对于绕核旋转的电子产生的磁矩，当存在外磁场时，运动的电子受到洛伦兹力的作用，洛仑兹力的方向为v × B的方向（v为电子运动的方向）；对于与B的方向一致的磁矩，电子所受洛仑兹力的方向将沿旋转圆周运动的半径向外。于是向心力将比不存在磁场时要小些。当旋转圆周的半径不变时，运动速度将减小，因此洛仑兹力作用的效果是使与B方向相同的磁矩减小。而对于B方向相反的磁矩，洛仑兹力作用的效果是使磁矩增加。所以，洛伦兹力的总效果是在逆着外磁场的方向上产生磁

17、矩，可以理解为电子绕核旋转的磁矩在外磁场作用下将向外磁场相反的方向偏转。而电子自旋的磁矩在外磁场作用下将转向外磁场方向10 。在磁场作用下，水分子内电子产生的磁矩会向着磁场方向或逆着磁场方向转向，从而使水分子的电子云发生极化，使离子水化层受到破坏。这样减弱了离子的水化作用，使中心离子在运动时的摩擦力减小，悬浮液的电导率升高，这也是含有蒸馏水的悬浮液的电导率在磁场作用下增大的原因11。4 结论在超声波作用下, 悬浮液的物理化学性质会发生变化。本文从电导率的角度通过实验对超声波与纳米微粒悬浮液的相互作用以及磁场对纳米微粒悬浮液电导率的影响进行了研究，实验结果表明：（1）超声空化可以改变纳米微粒悬浮

18、液的电导率,使纳米微粒悬浮液电导率减小；并且电导率的改变与空化强度有直接联系, 随着电压的逐渐升高，电导率变化都呈先下降后略微增大的趋势；当空化强度较小时, 空化能量对悬浮液本身结构影响也较小, 电导率变化由于受空化而产生的气泡和空穴影响, 电导率逐渐降低；当空化效应足以在悬浮液内引起的局部瞬态高温高压、冲击波和微射流后, 电导率的变化除了受气泡和空穴的影响外, 还受局部瞬态高温高压、冲击波和微射流产生的新带电粒子的影响, 电导率又缓慢增大。（2）磁场作用后纳米微粒悬浮液的电导率升高。当外加磁场作用于水后，因为洛仑兹力对水中的粒子做功，增大了内能，使液态水中粒子更加剧烈碰撞，能提供更大的的能量

19、以克服势垒以断裂H-O键，使水中存在的OH浓度增大；并且磁场引起了水分子的磁矩转向，使其电子云发生极化，破坏了悬浮液中离子的水化层，削弱了悬浮液的电泳效应，从而使悬浮液的电导率增加。 参考文献1 冯若，李化茂. 声化学及其应用M.合肥：安徽科技出版社，1992.052Oxley J D. Environmental Applications of UltrasoundD. The University of Illinois, 2003.3陈华茂, 吴华强. 超声波在电镀中的应用J. 化学世界, 2003(2):97-98.4 朱国辉, 丘泰球, 黄卓烈. 超声波在萃取中的应用J. 声学技术,

20、 2001(4):102-103.5 Taylor J, Hurst C D. Application of magnetite and silica-magnetite composites to the isolation of genomic DNA J. J Chromatogr A, 2000(890):158-159.6 Zhang Y, Kohler N, Zhang M. Surface modification of superparamagnetic magnetite nano and their intracellular uptake J. Biomaterials,

21、 2002(23):1553. 7 王成会, 林书玉. 超声空化效应对悬浮液电导率的影响J. 声学技术, 2006, 25(4):309-312.8 胡青松, 李琳, 郭祀远等. 功率超声对悬浮液性质的影响J. 应用声学, 2003, 22(1):26-30.9 Ben C, Xiaohui H, Junheng L. Mechanism of increasing of conductivity of water processed by electro-magnetic fieldJ. Biomagnetism, 2003(9):69-72.10 李以圭, 陆九芳. 电解质悬浮液理论M.

22、第一版第二次印刷. 北京:清华大学出版社, 2005 :241-242.11程树康, 陈磊等. 磁场对NaCl悬浮液电导率影响的实验研究J. 高技术通讯, 2010, 20(10):1091-1095.Power ultrasound and magnetic field influence on the nanoparticles solution of the conductivityGao Yi(College of Physics and Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi´an 710062，Shaanxi

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,