基于涡流热效应的液体莱顿弗罗斯特效应点测量仪.docxVIP

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基于涡流热效应的液体莱顿弗罗斯特效应点测量仪

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摘要：采用不断改变金属温度，使其达到液体的临界莱顿弗罗斯特效应温度并通过激光进行测量。制备一种新型基于涡流热效应的液体莱顿弗罗斯特效应点测量仪装置。其功能是利用涡流热效应原理进行加热，热电偶探测温度，限流器控制液体滴落的速度，产生莱顿弗罗斯特效应后液体底部产生的汽膜使激光折射路径发生改变的方法，达到确定液体发生莱顿弗罗斯特效应时的温度。

关键词：涡流热效应莱顿弗罗斯特效应热电偶

1引言

在我们日常生活中经常能看见饭店中的大厨在锅子中滴入几滴水观察是否形成水珠来判断锅子的温度是否足够;在冰桶挑战中液氮的沸点是-196°C，而人体的温度为36℃，当液氮顺着身体向下流，与人体接触的部分就会剧烈沸腾，在人的身上形成一层液氮的蒸汽层，阻隔人体向液氮传热，短时间内人不会被冻伤。这些都是莱顿弗罗斯特效应在生活中的应用，而测量液体的临界温度点能够帮我们更好的了解本身的物理性质。

2正文

2.1仪器原理

利用涡流热效应将电磁能直接转化为金属的内能，将金属放置在螺旋线圈中，给螺旋线圈通入高频交流电，使螺旋线圈中心产生高频交变磁场，处于交变磁场中的金属不停地切割磁感线，在内部产生涡流，由焦耳定律可知金属内部会产生大量热量从而达到加热金属的目的。利用zvs电路对线圈进行供电，由涡流在金属薄壳或金属线上产生的单位质量功耗为式中k是个常数,Bp是磁场峰值(T),d是金属薄壳的厚度或电线的直径(m),f是磁场改变的频率(Hz),ρ是电阻率(Ωm)，D是材料密度。由于所产生的的磁场峰值与所通入的电流的大小有关因此可通过改变电流大小达到控制金属加热温度的目的。并通过热电偶记录金属的温度。莱顿弗罗斯特现象是当液体接触到温度远超其沸点的物体时，与物体表面所接触的那一部分液体会急速汽化膨胀在液体和金属表面之间生成蒸气层，蒸汽层隔绝了液体与金属之间的接触使液体暂时悬浮起来，从而阻止金属继续放热。利用激光在经过不同的物质时其折射率不同的特点，将一束激光源放置在金属表面所在的平面上，于平行金属表面的方向打出一道激光，当激光照射到液体发生莱顿弗罗斯特效时所产生的蒸汽膜上时，会使激光的折射路径发生改变，以此测量出液体的莱顿弗罗斯特效应点并记录数据

2.2仪器的制作与工作方式

本仪器由反应容器，限流器，温度调节装置，散热装置，热电偶，电路系统以及激光发射装置所组成

2.2.1限流器

制作简易限流器如图1所示将空心塑料瓶底部开启小口并在瓶口用橡胶塞和玻璃棒堵住当使用限流器控制液体流速时，只用控制空心玻璃棒底部跟液体容器底部的距离，即可完成对流速的控制，其原理为：这可由机械能守恒定律加以解释，以处于空心玻璃棒的底部的某一小液团为研究对象，设这一液团的质量为m，小液团下降至液体容器底部处时的速度为V，由机械能守恒定律可得：mgh＝/2，即，此速度也即是水从液体容器底部的流出时的速度，可见从B处孔中流出的水流速度与管口A和瓶底孔B的高度差的平方根成正比，与瓶内水的高度无关。

图1：限流器

2.2.2反应容器

如图2所示，将金属1放置在耐高温的钢化玻璃上，限流器通过3将液体滴到金属表面。

激光由底部入射到45°放置的反光镜2上，调整激光角度即可使光线经过折射后正好平行于金属表面射出。激光照射到液体上经过折射后照射到反应容器表面的位置A，当液体发生反应时液体与金属表面接触的地方会瞬间汽化产生蒸汽膜，此时激光照射到蒸汽膜上经过折射后照射到反应容器的位置B，此时我们可以通过激光照射经过折射后照射到反应容器的AB两点的位置的改变，来确定待测液体的莱顿弗罗斯特点。

图2：反应容器剖面图

2.2.3温度调节装置及电路系统

将滑动变阻器4接在螺旋线圈的电路中，通过调节仪器底部滑动变阻器的旋钮来调节通入螺旋线圈的电流大小，将zvs电路焊接在pcb板上并放置在电路系统5中。给整个仪器提供电源。

图3：电路系统及温度调节

3结论

通过对莱顿弗罗斯特效应的研究成功制作出了一种测量其效应点的仪器。当液体发生莱顿弗罗斯特效应时能明显观察出激光的折射路径发生了改变。本仪器的特点为取材方便，造价低廉，制作方法简单，能较为准确的测量出待测液体的莱顿弗罗斯特点。考虑到液体的莱顿弗罗斯特点与本身杂质含量金属本性有关，因此在实验时需要确保每次实验的液体的化学成分相同。

参考文献

F.Fiorillo,Measurementandcharacterizationofmagneticmaterials,ElsevierAcademicPress,2004,ISBN0-12-257251-3,page.31

赵永业，刘自章.高低温扩散