水表面张力的磁化效应

水面张力的磁化效应 任宇航许祝安 ( ) 浙江大学物理系, 杭州, 310027 田涛方健文楼仁姣 ( ) 浙江师范大学物理系, 金华, 321004 提要 本文, 我们着重于用新改进的表面张力公式来探索水表面张力随磁场的变化关系, 并取得了许多新的重要的结果. 这些结果将在文中详细讨论. 关键词: 表面张力; 磁化 中图法分类号: 645. 16 647. 1 35O O O 0 引言 目前, 磁化现象在医学、防腐及材料科学中都得到了文泛的应用. 揭示水表面张力在磁场中的变化性质, 对于进一步了解磁化的机理, 推进深井勘探、水果保鲜等技术的发展有重要意 义. 在测量和研究磁化对水表面张力的影响方面, 以往工作多集中在纯水或某些水溶液上, 而 1 , 3、5、8 1 2 且结果非常分散. 如一些研究者认为, 磁化不改变水的表面张力. 有的指出, 水经磁 3 、5、8 化后引起表面张力的升高. 但更多的作者都肯定, 磁化使溶液表面张力降低 6, 8ƒ. mN m 10 . . 格列勃涅夫等指出, 磁化对二次蒸馏水的表面影响甚微, 但对十六烷基硫酸钠水溶液 AH 的表面张力有显著影响. 在磁场强度为 0, 125ƒ范围, 溶液表面张力随磁场增强而发生kA m 4 、6、7 周期性变化. 还有文献报道, 磁处理水理化性质的差异是由于磁处理条件不同而引起的水不管是切割磁力线流动还是静置在磁场中处理都能引起水的理化性质变化; 加热不影响磁 水效应. 我们着重于利用新改进的毛细管法, 对水的表面张力随磁场的变化进行了探索, 发现 随着磁场的增强, 水表面张力变化的一些重要性质. 1 实验原理和方法 () (如图 1, 对于同轴插入广延液体中的玻璃管 内外半径为 和毛细管 其内外半径分别为 r1 Ξ 本文于 1996 年 10 月 28 日收到任宇航: 男, 1971 年 9 月生, 博士生 Θg r0 ? h ()1 Α= r0 () 2 1 - co sΗ r- r 1 2 (式中 ?h 为玻璃管和毛细管液体上升高度差、 Θ为 液 体 密 度、Α 为 表 面 张 力 系 数、Η为 接 触 ) 角. 因纯水与净玻璃的接触角很小, 因此可认 为 co sΗ= 1. 另外考虑水柱体积为: 1 2 2 3 2 ) ()) ( ( r0 2Πrh +Πr=Πrh +0 r0 -0 0 3 3 ( 式中 h 为毛细管凹液面距玻璃管凹液面的相 ) 对高度. 由对比可得到: 图 1 实验装置图 ()3 ?h = h +r 0 () () 3式代入式 1, 即推得: r 0) (Θg rh +0 3 Α= r0 () 2 1 - r- r 1 2 () 如果将玻璃管和毛细管在广延液体中分离出来, 公式 4仍然成立. 由此, 得到了 液体的毛细管公式. 对标准状态下水表面张力的测定结果表明, 这个公式具有更 ( 以自来水, 去离子水, 蒸馏水作为样品, 置于经标定的 型电磁铁 最高 - 1 ZP ) 3. 6两极间, 进行 5 分钟的磁化. 在空气中停置一小时后, 用毛细管法测量表 k G s () 实验具体分以下几个步骤进行: 1对自来水, 去离子水, 蒸馏水分别在选定条件 自来水, 去离子水磁化时磁场强度为 0. 35, 温度保持在 25?. 样品分成二组, 每T 的和磁化的样品各一份, 对各组的样品各测三次, 求平均值. 而蒸馏水磁化时磁 ( ) 17, 温度保持在 10?. 测量其不同磁处理时间下的表面张力系数. 2在室温下 T ( ) 磁场强度磁化的蒸馏水的表面张力系数. 3在室温下, 测量经 2.磁场强度 1k G s 水表面张力与停置时间的关系. 实验过程中, 毛细管的内、外径与水柱上升的相对高度用读数显微镜读出, 试 游标卡尺量出. 而在实验准备过程中, 毛细管应浸泡在以重铬酸钾的饱和水溶液 () 1 配制的洗涤液中. 利用公式 4对测量数据进行处理. 图 2 蒸馏水表面张力随磁场变化图 3 蒸馏水表面张力与停置时间关系 表 1 中, 去离子水表面张力系数比磁处理前平均增加 12. 1% , 而自来水表面张力系数比 表 1去离子水和自来水磁处理前后表面张力系数 样品对照去离子水磁处理去离子水对照自来水磁处理自来水 - 2()表面张力系数 ×106. 50 7. 28 6. 77 7. 30 Α N m 标准误差 SD 0. 29 0. 24 0. 26 0. 07 表 2 静置于磁场中不同磁处理时间蒸馏水的表面张力系数 0 20s 1m in 3m in 5m in 7m in 9m in 12m in 15m in 时间 表面张力系数- 26. 619 6. 619 6. 698 6. 769 6. 845 6. 695 6. 018 6. 186 6. 469 ()×10N m 标准误差 SD 0. 075 0. 030 0. 067 0. 10 0. 033 0. 10 0. 160 0. 120 0. 071 磁处理前平均增加 7. 7%. 差别有极显著意义. 表 2 中, 随着磁处理时间的增加, 蒸馏水的表面张力系数先增加, 再减少, 然后再增大. 一定范围内, 处理时间较短时水表面张力系数大于处理 前的表面张力系数. 处理时间较长时水表面张力系数小于处理前的表面张力系数, 在处理时间 为某些值时, 增大或减小达到峰值. 而在图 2 中, 在 的范围内, 水表面张力随 单 < 2. 0B k G s B 调下降. 在 3. 0> > 2. 0时, 它发生了明显的周期性变化, 其变化规律与粘滞性随磁场 k G sB k G s 的变化相一致, 而在 时则作类似衰减波的变化. 图 3 中, 在 小时至 36 小时,> 3. 0= 1 B k G s T 水表面张力随着时间的延长单调往初始值恢复, 且恢复速率逐步减小, 在 36 小时后, 其趋于稳 定. 11 在纯水中, 处于表面层中的分子具有规则的排列, 分子带极性的一端相互吸引而非极 性的一端向着空气. 并且, 表面层的分子间和表面层分子与液体内部分子间以稳固的氢键相互 10 作用着. 根据 萨马依洛夫尼的离子水合动力学理论, 水中的离子能与近邻的水分子相 . . OR 互作用, 形成以离子为中心的分子集团. 对于阳离子, 这种水合作用与形成化合物相类似. 要释 也就会得到相应的提高. 11 , 13 随着磁场的增强及时间的改变, 分子的键结构及定向性都会发生相应 不同的磁场、时间范围内, 水分子内氢键及水分子间的键结构、键角、键长被改变 都会有所不同. 磁化作用使水合作用遭受破坏的程度越大, 表面张力的下降也就 弱磁场范围内出现了表面张力随磁场平稳下降的情形, 正如图 2 中 < 2. 0B k G s 场增加到一定值时, 分子间的键结构基本被打乱, 定向性变弱, 分子成为能量较高 单一分子. 随着磁场的再增大, 部分单一分子就有可能脱离表面, 而另一部分单一新表面层形成一种新的表面结构, 至 2. 2处这种新的水表面结构完全形成, 表 k G s 大值. 随着磁场的进一步增加, 表面结构不断生成与破坏, 就导致了水表面张力的2 中 3. 0> > 2. 0段所示. 另外, 又由于新表面间的能量越来越趋向一致 k G sB k G s 如 段所示的类似衰减波的变化. 而停置时间的增长, 使水分子水合作 > 3. 0B k G s 度也相应增大, 从而出现了图 3 中水表面张力的恢复曲线. 因此, 在水的表面结构时, 不但要考虑温度等因素的影响, 还要考虑磁化 在涉及水表面张力的实际应用中, 如果依照水表面张力随磁场变化的规律, 选用 度来优化水的表面张力, 那么就可以更好地满足应用的需要. 参 考 文 献 1 Jo ch K M e t a l. J Ind ia C h em Iac, 1966, 43: 620 2 . , 1976, 99: 117L ie lm ezs J e t a lZ p h y s C h em 3 . , 1970, 10: 79M u lle r K e t a lZ C h em () 4 王信良等. 生物化学与生物物理进展. 1991, 3: 237() 李宜贵. 医学物理. 1989, 1: 223 5 () 曾昭炜等. 中华物理医学杂志. 1981, 1: 33 6 () 周润琦等. 自然杂志. 1985, 4: 318 7 () 杨煜荣等. 中华物理医学杂志. 1981, 3: 142 8 威廉. . 卫斯特发尔著. 王福山译.《物理实验》, 上海: 上海科学出版社, 1981H 9 ()() 10 王松滨等. 内蒙古大学学报 自然科学版. 1988, 3: 550()11 . . 亚当森著.《物理化学教程》. 北京: 高等教育出版社, 1983AW ()12 印永嘉, 李大珍.《物理化学简明教程》. 北京: 人民教育出版社, 198013 黄淑清等. 热学教程. 北京: 高等教育出版社, 1990 T h e m agn e t ic effec t o n th e su rface ten s io n o f w a te r R en Y u h an g X u Zh u an (), , 310027D ep a r tm en t o f P h y sic sZh e jiang U n ive r sityH anzho u T ian T ao F an g J ianw en L o u R en jiao ()D ep a r tm en t o f P h y sic s, Zh e jiang N o rm a l U n ive r sity, J inh ua 321004 A bstrac t In th is p ap e r, w e em p h a t ica lly u se o u r n ew an d im p ro ved equ a t io n abo u t cap illa ry to po in t , o u t th e ch an ge o f w a te r’ s su rface ten t io n w h en it w a s fo llow ed b y th e va r ia t io n o f th e m ag2 . , n e t ic f ie ld in ten sityA n d w e go t a lo t o f n ew an d im po r tan t re su lt sw h ich w ill b e d iscu ssed .o n o u r e ssay in de ta il : ; Key word ssu rface ten sio nm agn e t iza t io n