液体表面张力系数的测定

2019-03-30范纬世李玲玲李敬瑜

好日子（下旬） 2019年8期

范纬世李玲玲李敬瑜

【摘要】利用硅压阻力敏传感器测量液体的表面张力系数，改变了传统测量微小拉力的方法，实现了非电量的电测。实验方法简便易行，直观可见，既提高了实验的准确度，又有助于物理概念的理解。

【关键词】表面张力;拉脱法;传感器

引言

在液体的表面以下厚度约为分子半径作用的区间称为表面层。表面层分子比液体内部分子具有较大的位能。在表面层内分子的内能称为液体的表面能。按照能量最小原理，液体分子有尽量挤入液体内部的趋势，以使液面缩小从而减小系统位能。由于液面的收缩倾向造成的沿着液面切向的收缩张力称为表面张力。

表面张力系数是表征液体性质的一个参数，在表面物理、表面化学、医学等领域中具有重要的意义。影响液体表面张力系数的因素很多，主要有：（1）与液面的性质有关;（2）与液体的温度有关而与液面面积无关;（3）与液面上方相邻物质的性质有关;（4）与液体中杂质的含量有关。测量液体表面张力系数有多种方法，常用的有拉脱法、滴定法、毛细管法、最大泡压法等。作为教学实验，拉脱法有其明显的优点：直观可见，它直接测量拉力、固体与液面接触长度，可以帮助学生准确理解物理概念。传统的拉脱法可分为吊片法、脱环法和提板法等，虽然采用的与液面相接触的物体的形状各不相同，但一般存在以下问题：（1）仪器稳定性不高，重复性差，实验准确度均受到一定的限制;（2）用铂丝制成的圆环或刀口容易变形和断裂，给实验带来不便;（3）吊片或提板过长时难以保持其平衡和接触角为零。采用一定高度、一定直径的圆环型吊片进行测量，既保持了吊片法和脱环法各自的优点，又避免了两者的缺点，有效地提高了实验的准确度。除液态金属外，一般液体的表面张力数值均较小，容易蒸发的液体的表面张力就更小。传统的测量微小拉力的装置主要有焦利秤、扭秤等，操作难度大，灵敏度和稳定性差，因而准确度低。作者充分利用现代电子技术和传感器技术，设计了用硅压阻式力传感器来测量微小拉力。这种力传感器将弹性梁和集成传感器芯片连成一体，其中集成传感器包括由四个硅扩散电阻器组成的非平衡电桥和信号处理放大电路，其响应快、输出信号大、可靠性高、体积小、电路处理方便，因此，提高了测量微小拉力的灵敏度和准确度，实现了非电量的电测量，同时也有利于计算机的实时测量。对不同液体和不同质量分数的乙醇溶液的表面张力系数进行了测量，可以明显观测到不同液体的表面张力系数不一样，同种液体的表面张力系数随着其质量分数的增加而减小。

1 实验原理

一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值f为

（1）

式中：D1、D2分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数，g为重力加速度，所以液体表面张力系数为：

（2）

实验中，液体表面张力可以由下式得到：

（3）

B为力敏传感器灵敏度，单位V/N。U1，U2分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数。

2 实验仪器

测量液体表面张力系数的装置如图1所示，主要包括数字电压表、铁架台、微调升降台、装有力传感器的固定杆、表面皿和圆环型吊片。

圆环型吊片如图2所示，侧面开有三个小孔，穿上细线后调节好细线长度，使吊片底面与水平面平行，在节点处固定，再与传感器的拉钩固定。

经过对多种直径圆环吊片的实验测试，发现当环的直径在34mm附近，液体和金属片接触的接触角近似为零，运用公式（1）测量各种液体的表面张力系数与实际结果较为符合，可以不进行修正。这是因为圆环吊片的直径过小时，接触角不为零;而直径过大时环易晃动，会出现不平衡及局部先拉断现象。