液体膜电动机的探究

于桐 邵思雨 苏波

摘 要：将附着在绝缘边框上的液体膜放在平行于膜面的电场中，并在平行于膜面的方向通上贯穿膜的电流。在一定的条件下，液体膜会发生旋转，这种现象被称为“液体膜电动机”。本文对此种现象进行研究，分析了液体膜在不同的电压与电场强度下的旋转速率，探讨了“转动”的原理并解释了这种现象。液体膜中的带电粒子受两个不同电场力的作用，而做环形轨迹的螺旋运动。通过研究得出了影响肥皂膜旋转速度的三大因素：电场强度、电流强度、液体中离子的浓度。本实验对理解带电粒子在较复杂电场中的运动有一定的指导意义。

关键词：液体膜;电场;电流;旋转

近年来，科学家们对液体膜的物理性质产生了兴趣，因为宏观液体膜在物理学和生物学中具有十分重要的研究价值。液体膜不仅可以由聚合物溶液等复杂材料组成，也可以由水、油或肥皂水等常见液体组成。当液体膜受到各种化学、热或电学因素的作用时，它们将表现出非常有趣的动力学现象，如波的传播和混沌效应[1]。把表面活性剂分子溶解在水中可以使薄膜更稳定、更轻薄，悬浮的液体膜的厚度可以到几百纳米甚至几十纳米。

将附着在绝缘矩形边框上的液体膜放在平行于膜面的电场中，并给液体膜两端施加一定的电压，使膜中有电流通过，在一定条件下，液体膜会发生旋转，这种现象被称为“液体膜电动机”[2]。该电动机在物理、医学、工程等许多领域都有潜在的应用价值，因而引起人们的关注。它不需要非常专业的设备和器械，仅仅利用普通物理实验室一些常见的电学器材就可以观测到液体膜的旋转现象[3，4]。

本文采用的液体膜是肥皂膜，而肥皂膜就是利用肥皂水来制备的，将肥皂溶于水即成为肥皂水，其主要成分是硬脂酸钠（C17H35COONa），此为弱酸强碱盐，在水中水解为钠离子和脂肪酸根离子，脂肪酸根离子易与水中氢离子结合成脂肪酸，从而使肥皂水中出现过多的氢氧根离子，使其呈弱碱性。所以肥皂膜中的主要离子是：钠离子、氢氧根离子、脂肪酸根离子以及极少量的氢离子。

1 实验原理

液体薄膜中有可以自由移动的正负离子，有一定的导电性。在自然状态下，带电粒子均匀分布在液体薄膜内，当液体薄膜处于与薄膜平行的外电场中时，带电粒子会沿着外电场方向发生分离。而当液体薄膜中通入贯穿膜的电流时，又会给移动的带电粒子一个垂直方向的力，带电粒子在两个力作用下会向附近液体膜框移动，受到膜框的碰撞而发生反弹，反弹的作用力和另外一个电极的吸引力，会使得带电粒子向另外一个电极移动。液体薄膜中的带电粒子移动到另外一个电极时，因为惯性以及附近其他带电粒子的推力，不会使得带电粒子停止不动，而是打破平衡，继续运动，在液体薄膜中作旋转运动，以至于在液体薄膜中能观察到旋转现象[5]。

从极性分子取向变化方面考虑，在外加电场作用下可能会发生取向极化和电子位移极化，其物理过程就是极性分子在外加电场作用下，形成长程有序的链状结构，分子间的运动会发生相互影响，又在贯穿液体薄膜的电流作用下，电流力矩会破坏极化平衡，由于以上作用，使得电场竞争，造成重建平衡，而外加作用力在打破和重建平衡中，不断竞争，从而使得液膜得以转动。其液膜旋转的方向和速度可以通过操纵所施加电场的方向和强度来控制，改变直流电源电压的高低或液体薄膜中的电流强弱，液体膜的旋转速度会发生改变。另外，改变直流电源正负极性或贯穿薄膜中的电流方向，液体薄膜的旋转方向也会发生变化。液体膜旋转实验装置示意图如图1所示。

2 实验过程

用激光雕刻机在有机玻璃上雕刻一个矩形孔，形成框架，在任意正对的框架两端缠绕铜线作为电极;分别与量程为30V的学生直流电源的正负极相连，提供贯穿液体膜的电流。将框架放入肥皂水中，浸润后拿出，在框架上便会形成悬浮的液体膜。然后将液体膜被放置在两个平行的金属板之间，并保持液体膜与金属板垂直。两金属板分别与几千伏的高压直流电源的正负极相连，构成平行板电容器。本實验所采用的是直径为25cm的圆形铝质平行板电容器，两板间距为10cm。平行板电容器用输出可达15kV的DC-DC直流高压电源模块供电，该电源模块用12V直流电源供电，用0—5V的电压对其输出电压进行控制，并且0—5V的控制电压与0—15kV的输出电压成线性关系。即当控制电压为0V时，高压模块输出电压为0V;当控制电压为5V时，输出电压为15kV。DC-DC直流高压模块如图2所示，实验装置实物图如图3所示。

3 实验现象及结果

（1）将平行板电容器两端的电压调节为5kV，改变加在肥皂膜两端的电压大小，实验现象如表1所示。

（2）将加在肥皂膜两端的电压固定在30V，改变平行板电容器两端的电压大小，实验现象如表2所示。

由表1可以得出以下结论：保持平行板电容器两端的电压不变，慢慢增大肥皂膜两端的电压大小，使得穿过膜的电流增加，肥皂膜旋转的速度逐渐加快。另外，当改变肥皂膜两端电压的极性时，肥皂膜的旋转方向发生改变。

由表2可以得出以下结论：保持肥皂膜两端的电压不变，慢慢增加平行板电容器两端电压的大小，即改变两极板间的场强大小，肥皂膜旋转的速度慢慢变快。另外，若要看到明显的实验现象，平行板电容器两极板间的电压要更高，可以达到几十千伏甚至更高。

通过实验还发现，如果改变平行板电容器两端电压的方向，即改变平行电容器间匀强电场场强的方向，膜的旋转方向发生改变，与原来旋转方向相反;如果改变贯穿肥皂膜的电流方向，肥皂膜的旋转方向也发生变化。

本次实验还有需要改进的地方，比如，有机玻璃框架上的电极是用铜线缠绕的，通过肥皂膜的电流不是很均匀，若用金属条作为电极，效果将更好;实验中肥皂膜形成后很容易破掉，所以应该尝试更多种液体进行实验，从而找到一个更加利于实验观察的极性液体膜。

4 结论

本文通过原理分析，解释了液体膜发动机中液体膜旋转的原因，液体膜在交叉电场中的旋转起源于外部电场破坏和维持的极化平衡的重新建立之间的持续竞争，也即：肥皂膜中的带电粒子受两个不同电场力的作用做环形轨迹的螺旋运动，从而推动液体膜做旋转运动。本实验验证了液体膜电动机中液体膜旋转现象的真实存在性。

参考文献：

[1]李金环，王笑军，王庆勇.PPBL教学模式在光学教学中的实践探索[J].物理实验，2015（8）：10-14.

[2]李艳琴.磁场强度对磁性液体磁表面张力系数的影响[J].物理实验，2015，000（005）：30-33.

[3]朱秀昌.介电泳的原理及应用[J].化学通报，1962，09：32-36.

[4]白璐，张香平，邓靓，李梦蝶.离子液体膜材料分离二氧化碳的研究进展[J].化工学报，2016，67（01）：248-257.

[5]徐洁，储险峰，马驰远，董永全，吴小琴.支撑离子液体膜微萃取-气相色谱法测定水中有机氯农药[J].环境监测管理与技术，2014，26（04）：35-38.

基金项目：国家自然科学基金（No.61575131）

作者简介：于桐（1998— ），女，北京人，首都师范大学在读本科生，研究方向：物理学。

通讯作者：苏波（1975— ），男，汉族，山西临猗人，博士，副教授，研究方向：太赫兹波的教学和科学研究。