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将电流变液转变机理及其应用引入工科物理教学

2008-01-17 16:04 323 查看
2006-05-09 23:42:20





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COLLEGE PHYSICS
1999年 第18卷 第8期 Vol.18 No.8 1999		0 && image.height>0){if(image.width>=510){this.width=510;this.height=image.height*510/image.width;}}" height=26 alt="qklogo.gif (1134 bytes)" src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/image/qklogo.gif" width=96 border=0>
科研工作使教学内容现代化*
——23:41:21 上午
罗春荣　赵晓鹏
　　摘　要　介绍了将科研工作(电流变液转变机理及其应用)引入工科物理教学的实践与体会.
　　关键词　电流变液；介电极化；可控阻尼振动；可控光栅常量
　　分类号　O 441；O 321；O 436
　　电流变液是近年来引起广泛关注的新型智能材料.大多数电流变液是具有高介电常量的固体颗粒和油液的混合体.没有电场时，电流变液呈液体状态，可像水或液压油那样自由流动.如果在电场作用下，它处在渐变的胶状形态，且与电场强度成正比.这种固液之间的转变仅仅在千分之几秒间就可实现.由于电流变液在电场作用下能从流动性良好的牛顿流体转变为屈服应力很高的粘弹塑性体，而且这种转变连续、可逆、易于控制，故有着广阔的应用前景.利用这种优良的电-机械耦合特性设计出的电流变液器件具有重量轻、灵敏度高、响应快和能耗低等优点，可在工业部门获得广泛的应用.在美国能源部1992年提出的《电流变液估量报告》中曾指出：“电流变液将使工业和技术若干部门出现革命化的变革”.
　　从1993年起，我校开始电流变液的研究，在国家自然科学基金、航空部科学基金、陕西省自然科学基金的资助下，从电流变液的材料制备、转变机理、力学、电学、光学性能及应用等方面都做了一定的工作，并取得了一些有意义的结果.
　　面向21世纪基础物理教学体系与内容的改革势在必行.我们认为，教学体系与内容改革的关键在于：基础物理现代化；现代物理教学化.电流变液被认为是“有潜力成为电气-机械转换中能源效率最高的一种”.作为工科院校的大学生应该对此有所了解.从1994年起我们将电流变液引入工科物理教学.下面简要介绍我们的工作.
1　在电磁学中介绍电流变液及其转变机理
　　电流变液是具有高介电常量的固体小颗粒与低介电常量的母液组成的均匀悬浮状液体.电流变液是一种在电场里发生形态变化的物质，施加电场，流体的粘度会随外加电场强度的增加而明显增大，当电场强度达到某一临界值时，它会发生相变而迅速固化，所形成的固体呈宾汉塑性.固化过程在瞬间即可完成，所需时间通常在千分之几秒.该过程具有可逆性，随着电场的消失，它又会迅速地从固体还原成悬浮状液体.
　　下面介绍电流变液的转变机理.由于电流变液现象的复杂性和多学科性，目前尚无精确模型，介电极化模型是目前普遍接受的微观结构模型.在这种模型中，电流变液的本质是电场导致的固体颗粒的固化.当外电场不存在时，由于电介质微粒的密度与溶液的密度十分接近，作用在粒子上的浮力与重力相当，在这种微重力环境下，热运动粒子在空间随机分布形成均匀的悬浮液.在外加电场的作用下，电流变液体系中的固体颗粒获得感应电偶极矩，在电场下偶极矩之间会产生相互作用.比如：在两极金属板之间形成的电场里，微粒内部的正负电荷彼此向相反方向产生某种位移，电场内的颗粒就变成了电偶极子，这种效应的大小取决于该物质的极化率.当流体含有大量的极化颗粒时，其相互的电作用就变得错综复杂.最简单的情况是两个微粒在强电场内各自的正极在上，负极在下，两个微粒的相互作用力取决于相互接近的方式，一般连接两微粒的线与垂直线不超过55°时，两微粒相吸，否则相斥.不论微粒的运动方向如何，感应电偶极矩始终与电场平行，使全部微粒形成相反极性紧聚在一起的构形.此时吸引力占优势，使微粒吸合在一起，它们首尾相连排列成行，构成长“链”.电流变液体内的微粒链与电场方向一致并连接两极板.这种类链状结构是流体固态是否形成的关键.
　　电流变液及其转变机理实际上是电介质极化的典型实例，在电磁学的电介质部分引入，可使学生对电介质及其极化理论有更具体的了解.
　　电流变效应的表演实验，使学生一目了然，教学效果极佳.
[b]2　设计可控阻尼振动的演示实验[/b]

　　在振动问题中，摆是一个理想模型，阻尼介质中的摆在工程技术中被广泛应用.考虑振动系统为粘滞液体中的摆，摆受阻力f=-γv，阻力系数与液体的粘滞系数η成正比，阻尼振动的运动方程为

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其中β=γ/2m称为阻尼因数，m为摆的质量.ω0是振动系统的固有频率.根据阻尼因数大小的不同，系统的运动行为可分为三种不同的情况：β＜ω0为弱阻尼；β＞ω0为过阻尼；β=ω0为临界阻尼.ω0仅由振动系统本身的性质决定，β由振动系统的性质及周围介质的性质决定.因此一旦振动系统与周围介质确定，ω0、β便是确定的，系统的运动行为一般是不可调节的，即不可实现可控阻尼振动.如果阻尼因数可调节，就可实现可控阻尼振动.利用电流变液的电流变效应可实现可控阻尼振动.
　　由于电流变液是一种在电场里发生形态变化的物质，利用这种液体的粘度可通过施加电场予以控制的特点，制成可控阻尼介质.通过控制外加电场强度的大小，调节阻尼介质的粘度，相当于调节阻尼因数的大小，实现了可控阻尼振动.这种可控阻尼振动可用于减振器、离合器、变速器等.我们设计了电流变液可控阻尼振动装置进行演示实验［1］，效果很好.
[b]3　制备可控光栅常量的光栅[/b]

　　我们在研究电流变液的光学特性时发现［2］，光经外电场作用下的电流变液反射后，在屏幕上可观察到稳定的明暗条纹.条纹形成的机理与电流变液的转变机理有关.我们观察到屏幕上出现的明暗条纹实际是外电场作用下电流变液中介质微粒链状结构的衍射花样.调节外加电场强度时，衍射花样随之变化.因此在外电场作用下电流变液中介质颗粒的链状结构等效于一个平面反射光栅，在屏上形成的明暗条纹为光栅衍射条纹.根据光栅衍射理论，光栅常量(a+b)增大，光栅上狭缝的总数目N减小，各级主极大变宽.实验结果表明，随电场强度增加，明条纹变宽.这是由于随着外加电场的增加，电流变液中介质微粒链聚合成“柱”，相当于光栅常量(a+b)增大，从而导致明条纹变宽，与光栅衍射理论相符.因此通过控制外加电场的变化，可以调节光栅常量的大小.电流变液装置为制备可控光栅常量的光栅提供了一种可能的途径.
　　我校“大学物理”课程的安排顺序为：力学；电磁学；热学；振动、波动、波动光学；相对论与量子论.我们在电磁学中引入电流变液及其转变机理，又在振动与波动光学中介绍可控阻尼振动与可控光栅常量，将自己的科研工作引入教学中，这一方面使学生拓宽了知识，更重要的是使学生体会到高新技术与物理学密切相关.将电流变液及其应用引入教学，是实现基础物理现代化、现代物理教学化的具体体现.在教学实践中我们体会到，在面向21世纪教学体系与内容的改革中，从事基础物理教学的教师必须积极开展科学研究工作，更新自己的知识结构，使教学内容现代化.只有这样才能使教师、学生都适应时代发展的需要.

*　陕西省自然科学基金资助项目
作者单位：西北工业大学应用物理系，西安　710072

[b]参考文献[/b]

　1　罗春荣，赵晓鹏.可控阻尼介质中摆的运动行为.大学物理，1998，17(5)：30～31
　2　罗春荣，张兆东，赵晓鹏.电流变液与电-磁流变液的衍射特性.光子学报，1997，26(12)：1 119～1 122

收稿日期：1998－04－10；修回日期：1998－12－28
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