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利用磁力搅拌器探究磁悬浮现象-上海跃进医疗器械有限公司

[导读]​磁力搅拌器中的搅拌子在具有黏性的流体中随磁力搅拌器转速的改变能实现稳定上升和悬浮.本文利用动力学方程对磁悬浮现象中搅拌子的运动规律进行了理论分析,通过控制变量对影响稳定悬浮的参量进行了实验探究.上海跃进医疗器械有限公司

磁力搅拌器中的搅拌子在具有黏性的流体中随磁力搅拌器转速的改变能实现稳定上升和悬浮.本文利用动力学方程对磁悬浮现象中搅拌子的运动规律进行了理论分析,通过控制变量对影响稳定悬浮的参量进行了实验探究.实验和理论结果一致表明:流体黏度越大,搅拌子悬浮高度越低;随着磁力搅拌器驱动转速增大,搅拌子摆动角速度ωw加强,转动角速度ωs减弱,悬浮高度降低;较小的搅拌子更容易稳定在中心,直径小的烧杯容易提供初始的稳定态;当搅拌子初始距底高度zb固定,驱动转速越大,或当驱动转速固定,搅拌子zb高度越高,对应的摆动振幅都越小.

本文中的磁悬浮问题来源于第33届国际青年物理学家锦标赛(International Youth Physicist’s Tournament, 简称IYPT)的第九题,原题如下:

Magnetic levitation under certain circumstances, the ‘flea’ of a magnetic stirrer can rise up and levitate stably in a viscous fluid during stirring. Investigate the origins of the dynamic stabilization of the “flea” and how it depends on the relevant parameters.

译为:在某些特定情况下,磁力搅拌器的搅拌子在搅拌时,能在黏性流体中稳定地上升和悬浮. 研究搅拌子动态稳定的起源,以及它如何依赖相关参数.

磁力搅拌技术在防止泄漏,减少污染,节约能源方面有着突出优点[1]. 磁力搅拌器广泛应用于易燃、易爆、有毒、强腐蚀性和贵重介质的工业搅拌或搅拌反应中. 磁力搅拌器利用磁性物质同极相斥的特性,通过不断变换基座两端的极性来推动磁性搅拌子转动,当转速增大到一定值时,搅拌子能在黏性流体中稳定地上升和悬浮. 本文旨在通过理论和实验探究悬浮现象的起源,以及实现稳定悬浮的相关参数及其依赖关系.


最初,搅拌子与下方的驱动磁体相吸引,N极和S极相对(图2a),当转速较低时,搅拌子会随着下方的驱动磁体一起转动. 这个时候搅拌子受到一个向下的磁场力(吸引力),不会跳起. 但是由于黏性流体阻力的存在,随着驱动转速ωd的增加,搅拌子的转速θ⋅θ⋅也随之增加. 与此同时,黏性阻力kθ⋅kθ⋅也在增加,而这个黏性阻力会使得搅拌子的转速θ⋅θ⋅小于驱动转速ωd,进而导致φ增大(图2(b)),其中φ表示两个磁体之间的夹角,当φ达到π2π2时为一临界值. 如果φ大于π2π2,那么此时两磁体同极相对(图2(c)),搅拌子受到一个向上的排斥力,会跳起并悬浮. 由此得出,搅拌子能否“跳起”取决于φ.

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