液态金属小球的运动特性分析

Wang等［45］使用尺寸为D=30 mm，d=20 mm的电极研究了液态金属小球的可控性运动，B垂直于圆环电极上表面，液态金属小球（质量为84.28 mg）没入两极之间的NaOH电解液。当电极通电时，即产生施加在小球和溶液上的洛伦兹力，根据左手定则判断其方向为逆时针，如图4.21所示。由于电解液的密度（1.045 g/cm3）远小于液态金属小球，因而其运动速度较大，并给金属小球提供了推动力。液态金属小球的电流-电压、电阻-电压测量曲线显示在图4.22中。可以看出，随着两极电压的增大，电流近似呈线性增大，电阻呈线性减小。测量的转速电压和功率电压曲线如图4.23所示，转速随电压的增大而增大，当电压范围为7.05～7.53 V时转速的增速达到峰值［1.114（圈·秒-1）/V］，这样的变化趋势可以解释如下：电解液的导电性取决于溶液中离子的运动强度，而离子运动强度由电场强度E决定，当电压升高时，E变大，电阻变小，电流和消耗的功率因而变大，液态金属小球的运动速度将加快；另一方面，当电压变大时，面向正极的液态金属小球表面由于存在氧化电势［48］将被覆盖一层氧化物，氧化物进入电解液使其变浑浊。另外，电压变大时，NaOH溶液的电解度将变大，溶液中会产生更多的气泡，从而对液态金属小球的运动起到阻碍作用［32，45］。

图4.20　永磁铁表面磁感强度B与磁铁中心距离的关系曲线图［45］

阴影区域的曲线代表D=30mm，d=20mm（a）和D=30mm，d=4mm（b）两种尺寸磁铁的电极间B的对称分布，插图为两种尺寸的同心圆环形电极的实物。

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图4.21　液态金属小球、NaOH电解液和同心圆环形电极（D=30 mm和d=20 mm）的结构视图（B垂直于纸面向内，黑色箭头表示施加在金属小球上洛伦兹力的方向）［45］

图4.22　正负电极之间液态金属小球的电流-电压和电阻-电压测量曲线图［45］

图4.23　正负两极之间液态金属的转速-电压和功率-电压的关系曲线图［45］