CN103245593A - 拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环 - Google Patents

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Abstract

拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环涉及物理参数的测量领域。为避免金属丝悬挂线带来的调节困难以及观察误差，本发明设计一种自动水平的表面张力吊环。技术方案是：吊环是一个圆筒，圆筒的顶部有四根对称的连接条，连接条的中心为一个圆盘，连接条和圆盘采用硬质的软磁材料，拉力传感器的挂钩悬挂一个磁性小球。吊环采用铝合金，吊环的内径为10cm、外径为10.2cm、高1-2cm。连接条的宽度为5mm、厚度为1mm，中心圆盘的直径为1-2cm。磁性小球的直径为1cm、表面磁场强度为4000-8000GS。有益效果是：吊环的顶部连接条的中心圆盘与磁性小球为点接触，不平衡的表面张力产生的力矩将促使吊环底部处于水平状态。

Description

拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环
技术领域
本发明涉及物理参数的测量领域，特别是液体表面张力系数的测量。
背景技术
在物理实验中，液体表面张力可以采用拉脱法进行测量，常用的测量仪器的测量原理与专利“一种液体表面张力系数测定仪（申请号CN01254339.X）”相同，测量的原理是：一个线状或者面状的物件，一般采用线状的环形物件，简称吊环，吊环的下面接触液面，上面有牵引绳，牵引绳向上提升吊环，向上拉伸的力量由吊环的重力、粘附在吊环的液体的重力（这部分比较小）、表面张力三部分组成，向上拉升，表面张力与重力的方向相同，都是竖直向下的作用力，吊环底部高于液体水平面后，表面张力的作用显现出来，要促使吊环逐渐上升，向上拉伸的力量逐渐变大，在粘附吊环的液面断裂的前后拉力的变化量，就是表面张力；由于表面张力与接触面的周边长度有关，因此一般将表面张力除以吊环的周边长度，定义为表面张力系数，比如对于环状的物件，周边长度就是内侧周长和外侧周长之和，表面张力系数与温度、液体物质有关。
存在的问题是：如果吊环的下面不在一个水平面内，就会出现液面不同时断裂，导致液面从倾斜面的高点位置最先断裂，相邻位置紧跟着断裂，从而使测量的表面张力比真实值小，带来较大的实验误差。
吊环的水平调节，一般采用三根金属丝作为吊环悬挂线（在CN01254339.X中称为吊丝），通过弯曲金属丝、通过眼睛判断吊环的下面是否处于一个水平面，从理论上讲，三点决定一个平面的，存在调节的可能性，但事实上存在较大的个人经验误差；而且，调节困难，测量速度缓慢。
发明内容
为避免金属丝悬挂线带来的调节的难度以及眼睛观察带来的误差，本发明设计一种拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环。
本发明实现发明目的采用的技术方案是：拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环，其特征是：吊环是一个圆筒，圆筒顶部的边缘固定有四根对称的连接条，连接条的中心为一个圆盘，连接条和圆盘采用硬质的软磁材料，拉力传感器的挂钩悬挂一个磁性小球。吊环采用铝合金，吊环的内径为10cm、外径为10.2cm、高1-2cm。连接条的宽度为5mm、厚度为1mm，中心圆盘的直径为1-2cm。磁性小球的直径为1cm、表面磁场强度为4000-8000GS。
本发明的有益效果是：由于吊环的顶部连接条的中心圆盘与磁性小球为点接触，吊环底部边缘的不水平，将导致吊环边缘所受到的表面张力不平衡，不平衡的表面张力产生的力矩将促使磁性小球与中心圆盘的接触点发生变化，使接触点自动处于对称的中心，只要是吊环的缓慢上移，不平衡表面张力导致的微小位移就能够实现，那么在液面与吊环脱离的瞬间，吊环底部就会处于一个水平面内，液面就会同时脱离吊环，这样就能够保证测量的准确；吊环的水平是利用表面张力和点接触自动实现的，在宏观和微观上，吊环的底部都处于一个水平面，不需要人为操作，降低了调节的难度，提高了实验的精度。        
附图说明
图1是表面张力测量原理示意图。图2是倾斜吊环示意图。图3是改进的可自动水平的吊环示意图。
其中，1、拉力，2、拉力传感器，3、挂钩，4、悬挂线，5、吊环，6、液面，7、倾斜吊环底部的高点，8、磁性小球，9、连接条，10、圆盘。
具体实施方式
拉脱法测量表面张力的原理：测量表面张力的吊环5的底部边缘处于液面6之下，吊环5的上部边缘有三根悬挂线4，由于三点决定一个平面，因此可以调节三根悬挂线4，使吊环的底部边缘处于一个水平面内，为了能够调节悬挂线4，悬挂线4采用金属丝（在在CN01254339.X中称为吊丝），金属丝有一定的韧性，弯曲后可以保持其形状，悬挂线4悬挂在拉力传感器2的挂钩3上，通过向上的拉力1，向上拉升，吊环逐渐脱离液面，浮力减少，重力和表面张力增加，当吊环高于液体水平面后，向上增加的拉力主要用于克服逐渐增加的表面张力，拉力传感器2显示的拉力1的数值F增加，随着吊环越升越高，吊环上粘附的部分液体下滑到液面，粘附液体的重力减少导致拉力的数值F减少，减少到某一个数值F1，粘附在吊环的液面同时断裂，数值改变到F2，这两个数值的差值F1-F2为表面张力，表面张力与吊环的线度（内侧周长+外侧周长）之比，就是液体的表面张力系数。
测量原理存在的现实问题是：为了方便水平调节使用的金属悬挂线4，通过弯曲其中的某一根或者某两根实现调节吊环5的底部水平，水平是通过眼睛观察的，从理论上讲，眼睛看到的是宏观上的水平，微观上大多数是不水平的，而且还存在眼睛斜视带来的水平误差以及个人的经验误差；如果吊环5的底部不水平，粘附在吊环底部的液面将从倾斜面的距离液面最高的一点先断裂，即从倾斜吊环底部的高点7位置处最先断裂，此处断裂后，其它液面也跟着断裂，正如我们拉扯一块布，不易拉断，但如果在旁边开一个小口，这片块就会轻易拉断，这样导致测量的表面张力系数减少。虽然调节吊环的底部水平不准确，但是要满足眼睛观察好像是在一个水平面，也需要多次弯折连接吊环的三根金属丝悬挂线4，调节非常繁琐。
为了避免吊环5的底部边缘不处于一个水平面，本发明将金属丝悬挂线改进为固定在吊环上边缘的对称的四根连接条9，连接条的中心为一个圆盘10，挂钩改进为挂钩钩住一个磁性小球8。由于吊环5的顶部连接条9的中心圆盘10与磁性小球8为点接触，吊环5底部边缘的不水平，将导致吊环边缘所受到的表面张力不平衡，不平衡的表面张力产生的力矩将促使磁性小球8与中心圆盘10的接触点发生变化，使接触点自动处于对称的中心，只要是吊环的缓慢上移，不平衡表面张力导致的微小位移就能够实现，那么在液面与吊环脱离的瞬间，吊环底部就会处于水平状态，液面就会同时脱离吊环，这样就能够保证测量的准确。

Claims (4)

1.拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环，其特征是：吊环（5）是一个圆筒，圆筒顶部的边缘固定有四根对称的连接条（9），连接条（9）的中心为一个圆盘（10），连接条（9）和圆盘（10）采用硬质的软磁材料，拉力传感器（2）的挂钩（3）悬挂一个磁性小球（8）。
2.根据权利要求1所述的拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环，其特征是：吊环（5）采用铝合金，吊环（5）的内径为10cm、外径为10.2cm、高1-2cm。
3.根据权利要求1所述的拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环，其特征是：连接条（9）的宽度为5mm、厚度为1mm，中心圆盘的直径为1-2cm。
4.根据权利要求1所述的拉脱法测表面张力的磁性小球接触的自动水平吊环，其特征是：磁性小球（8）的直径为1cm、表面磁场强度为4000-8000GS。
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