物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文功率超聲和磁場(chǎng)對(duì)納米微粒懸浮液電導(dǎo)率的影響

1、分類號(hào)：o426.4shaanxi normal university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 高毅專業(yè) 物理學(xué)指導(dǎo)教師（職稱）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

2、發(fā)生器功率的大小，用電導(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2x104hz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

3、液表面張力、粘度、電導(dǎo)率等等，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

4、有高效、速效、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。目前，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 f63o4納米微粒 配制不同濃度的fe3o4納米微粒水懸浮液和 f63o4微粒乙醇懸浮液，在室溫下（21 c） 測(cè)量不同的功率超聲作用下，fe3o4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

5、和方法2.1 主要實(shí)驗(yàn)材料fe3o4納米微粒、sio2納米微粒、二次蒸儲(chǔ)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、以二次蒸儲(chǔ)水為溶劑的fe3o4納米微粒懸 浮液和以二次蒸儲(chǔ)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

6、超 聲發(fā)生器產(chǎn)生脈沖超聲信號(hào)，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(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（21c）下用

7、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13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（21c）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

8、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)旋鈕，從 25v開(kāi)始，每測(cè)算一組數(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。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、f63o4納米微粒水400350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 -圖3.不同濃度的siq

9、納米微粒懸浮液，在 加超聲作用前后溶液電導(dǎo)率的變化懸浮液，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)超聲波作用于sio2納米微粒水懸浮液、f63o4納米微粒乙醇懸浮液、f63o4 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

10、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，具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) 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。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。(2

11、)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fao4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；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)5.

12、04.5 -4.0 _)-m 3.5 _.、2.59(mg/ml )1 1.38 (mg/ml ) 上 0.64 (mg/ml )3.0 一圖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4.84.6 -4.43.2 -3.02.8時(shí)間(t/s)2.8 (mg/ml)1.6 (mg/ml) 0.84 (mg/ml )4.2 - ) m4.0 s u 3.8 率 導(dǎo)3.6 電3.4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sio2納米微粒水懸浮液、fe3o4納米微粒乙醇

13、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)：(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)， 懸浮液的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)都大致相同。9.15g/l+15.6mt* 9.15g/l7.5g/l+15.6mt7.5g/l

14、4.8g/l+15.6mt44.8g/l)m«pshv率導(dǎo)電圖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5 。 5 。 54 4 ，r j 3 n )率導(dǎo)電50200250100150電壓(u/v)3.6(mg/ml)3.6(mg/ml)+15.6mt2.8(mg/ml)2.8(mg/ml)+15.6mt1.5(mg/ml)1.5(mg/ml)+15.6mt1.41.31.2 -1.1 -1.0 -0.9 -0.80.7150電壓(u/v)率導(dǎo)電圖8.在加磁場(chǎng)前后不同濃度的fqo4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.0.

15、46(mg/ml)+15.6mt0.21(mg/ml)-t- 0.21(mg/ml)+15.6mt00.13(mg/ml)i 0.13(mg/ml)+15.6mt圖7.在加磁場(chǎng)前后不同濃度的 feso4納米微粒乙醇懸浮液在不同功率超嚴(yán)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

16、浮液內(nèi)的空化泡群的結(jié)構(gòu) 發(fā)生改變，則電導(dǎo)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

17、、fe3o4納米微粒乙醇懸浮液和fe3o4 納米微粒水懸浮液，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： h2o-h+ + 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

18、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)都形成微觀電流，每形成的微觀電流都成為一個(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 xb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

19、方向相同的磁矩減小。而對(duì)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(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

20、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??； 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

21、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 ill

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25、the conductivitygao yi(college of physics and information technology shaanxi normal university, xi an 710062, shaanxi, china)abstract: experiment was studied under different power ultrasound and magnetic field under the action of different concentration of fe3o4 nanoparticles, fe3o4 nanoparticles aq

26、ueous ethanol solution and the change of the conductivity of sionanoparticles 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 decreasesrapidly, cavitation effe