磁场对液态物质分子的作用机制.doc

汪仲清(石油大学应用物理系 ,山东东营 257062)摘要 分析了磁场对运动电偶极子 、磁偶极矩以及各向异性的抗磁分子的排列取向作用 。探讨了磁处理过程中 ,液态物质在管道中的分层流动使得磁场对于结构和磁性均为各向异性的抗磁物质分子诱导排列的可能性 。用 磁场对抗磁性物质分子的取向作用进行解释 ,磁处理效果与磁场梯度有关 。磁场梯度越大 ,分子运动时磁场变化引起的感应电场对分子中电子产生的作用力越大 ,从而产生较强的抗磁性及抗磁各向异性 ,有利于分子的排列取 向 。主题词 磁场 ;电偶极子 ;磁偶极矩 ;液体 ;分子结构 ;各向异性 ;取向中图法分类号 O 552 . 424作者简介 汪仲清 ,男 ,1956 年出生 ,副教授 。1982 年毕业于西南师范大学 。现在石油大学应用物理系从事 磁处理技术机理的研究与物理教学工作 。的电偶极矩发生了取向 。在管道中流动的液态物质分子 ,由于本身的电 偶极特性 、相互作用以及摩擦等因素 ,使分子 ( 或固 态粒子) 一端带正电荷 ,另一端带负电荷 ,形成一个 电偶极子 ,见图 1 . 在磁场中运动的电偶极子受到洛 仑兹力作用引言磁处理技术 ,就是利用磁场对流经其中的液态 物质作用后产生一些有益的效应 。磁处理并没有改 变物质的化学成分 ,只是使某些物理性质暂时发生 了变化 。随着时间的推移 ,磁场作用的一些效应会 逐渐消失 。磁场作用引起了液态物质分子间结构的 重新排列1 ,2 。本文分析磁场对物质分子进行排列 取向的作用原理 ,以深入探讨磁处理技术的微观机 理 。_f L = q v B ,( 1)显然 , 电偶极子将受到一力偶矩的作用 , 其表达式为_M e_= l f L =P e ( v B ) ,( 2)_其中 , P e_=q l 是电偶极子的偶极矩 , 其方向由负电1 磁场对运动电偶极子的取向作用“磁致胶体效应”认为 ,磁场使液态溶液中流动_荷指向正电荷 ; v 是液体的流动速度 ; B 是磁场的磁感应强度 。图 1 磁场对运动电偶极子的取向作用液体流动速度的方向是垂直于纸面向外 , 力偶中逆时针方向转动 。力矩的大小为M e = Pe vB co s,_矩 M 的方向也垂直于纸面向外 , 即电偶极子将沿图( 3)收稿日期 :1997203220_ ev r其中 ,是电偶极矩 P e 与磁感应强度 B 之间的夹角 。偶极子处于图 1 ( a) 所示的状态将受到一个最大磁 力矩 , 其表达式为( 9)M max= Pm B = B ,2电子电荷 e = 1 . 6 10 - 19 C , 电子在分子内运动速度v 约为 106 m/ s ,分子大小约 10 - 10 m ,取 B = 0 . 2 T , 则分子受到最大磁力矩 M max = 1 . 6 10 - 24 N m. 可见 ,顺磁物质分子在磁场中比较容易转动 。分子在 由图 2 (a) 的状态转动至图 2 (c) 状态的过程中 ,磁力 需做的功为( 4)M emax= Pe vB .对于分子而言 , 若取电荷 q = 1 . 6 10 - 19 C , l 为分子大小 , 10 - 10 m , 流速 v = 1 m/ s , 感应强度 B =0 . 2 T ,由式 (4) 可以算出电偶极矩受到的最大磁力 矩 M emax = 3 . 2 10 - 30 N m. 在介质中 ,由于分子间 的相互作用 ,这样小的力矩使分子转动是比较困难的 。对于胶体粒子 , 可取 l = 10 - 6 m , 假设电荷大约为 q = 1 . 6 10 - 17 C , 则 M emax = 3 . 2 10 - 24 N m , 胶体粒子的转动似乎变得容易一些 。但是 , 粒子越 大 ,周围对它作用的分子数越多 , 其受到的约束越 大 。在电偶极子由图 1 (a) 的位形转到图 1 (c) 的位形 的过程中 ,磁力矩的功为00= / 2 M= - / 2(- d)Pm B sind = Pm B ,A m( 10)即磁力的功 A 10 - 24 J . 由此看出 ,顺磁物质分子m在磁场中比较容易排列取向 , 但是在磁处理过程中的液态物质一般为抗磁性的 。/ 2/ 2A e = 0 M e d = 0 pe vB co sd = pe vB ,( 5)即转动过程中磁场对电偶极分子作功为 A e = 3 . 2 10 - 30 J . 对于胶体粒子 , A e = 3 . 2 10 - 24 J ,这与分子 间的平均相互作用能 10 - 20 J 相差 4 个数量级3 。如 果磁处理的有益效应是磁场对流动电偶极子的取向 作用 ,则流速越大 ,磁场越强 ,效果将越好 。然而事实 并非如此 ,并且磁处理后的原油等物质的分子还是 无极分子 。图 2 磁场对分子磁矩的取向作用3磁场对各向异性抗磁物质分子的排列取向作用在抗磁物质分子中 ,绕原子核运动的电子都是配对的 ,分子磁矩为零 。由于分子中轨道运动的电子在磁场中受洛仑兹力作用 , 将产生与外加磁场方向 相反的抗磁矩 ,每个电子对抗磁性的贡献为4磁场对顺磁物质分子的取向作用原子结合成分子 ,如果有一个 (或若干个) 电子 处于未配对的状态 ,则这些电子将产生顺磁性 。设电 子绕原子核作圆轨道运动 , 其等效的分子圆电流为 ie = ev ( 2r) - 1 , 等效分子磁矩为2e22 _P em= - 4 m B ,( 11)式中 , m 为电子的质量 ;为电子绕原子核运动轨道_半径在垂直于磁场方向的投影 ; B 为外加磁场的磁感应强度 。设每个分子中有 z 个电子 , 每个电子的轨道是_P m ev r _= ier2 n =n .( 6)2_式中 , n 为根据右手规则确定的垂直于圆电流面积方向的单位矢量 , 如图 2 所示 。根据电磁学理论 , 磁 偶极矩在磁场中受的磁力矩为_ _ _球对称的 。对于每个电子均有 x 22 22= r i , 其i + y i + z i中r 为第 i 个电子的轨道半径 , 而平均值为i1x 2 y 2 z 2= = = r2 .i i ii3M = P m B .( 7)_若外加磁场 B 沿 z 轴方向 , 则分子中电子的轨道平_面在垂直于外场 B 平面上投影成的平均半径为磁力矩的方向由右手定则确定 , 即垂直于纸面向里 , 并且圆电流面和磁矩将沿顺时针方向转动 。磁 力矩的大小为2i = x 2 + y2 =r2 ,2( 12)i iiM = Pm B sin,( 8)3_若每个分子的抗磁矩用 来表示 , 则有式中 ,为 P m 与 B 之间的夹角 。分子处于图 2 (a) 状态受到最大磁力矩为_zz e2 B_2P emr i . =( 13)= -6 mi = 1i = 11 mol 的物质有 N 个分子 ( N = 6 . 02 1023 ) , 对应式 ( 13) 的抗磁性磁化率为可以用混沌学中的“蝴蝶效应”对磁处理过程加以解释 ,其实质为随机事件的不确定性及初值条 件的敏感性7 。实验表明 , 对物质进行磁处理在临 界温度范围内效果最好 。正是由于在发生相变时的临界温度条件下 , 分子的热运动与相互作用刚好抗衡 ,磁场的微小扰动将引起不同的相变过程发生 。并 且管道中流体流动的分层剪切作用使分子中线度较小的部分具有顺着流动方向的趋势 , 即初始条件的敏感性 ,或者说流动着的液态物质处于一种临界状 态 。这时 ,磁场能够对结构和磁性均为各向异性的分 子诱导取向 ,使其向有利的方向发展 。就是说 , 流动的剪切分层作用使磁场对分子 的 排 列 取 向 变 得 容易 ,分子的最大感应磁矩向垂直于磁场的方向转动 ,分子平面平行于磁场和流动的方向 。 磁处理使物质系统的对称性发生了变化8 , 相当于系统又发生了一次相变7 。相变发生后靠分子和杂质离子等自身的作用产生一个分子内场相互约 束 ,并作有序流动 。由此就可以产生磁处理过程的一些有益效应 。z 2= N = -N er2 .抗( 14)iB6 m i = 1若将电子的电荷 e = 1 . 6 10 - 19 C ,电子质量 m =9 . 1 10 - 31 kg 和电子轨道半径的均方值 r2= 10 - 20m2 代入式 ( 14) , 则 抗 10 - 5 z . 可见 , 抗磁性磁化率与分子中的电子数 z 成正比 , 并且与 r2 有关 。如果分子结构呈各向异性 , 分子中不同的电子具有不同的 r2 值 , 则抗磁性也为各向异性 。对于原油等物质i中具有各向异性结构的分子 , 抗磁各向异性为 6 = 1 - 2 抗 .( 15)式中 ,1 和 2 分别表示垂直于分子平面和平行于分子平面抗磁性磁化率的大小 。若取分子抗磁矩的 各向异性为 = 1 - 2 ,( 16)磁场对抗磁物质分子的取向作用与图 2 类似 , 只是_磁场 B 的方向与分子最大抗磁矩 的方向垂直 。这是因为磁偶极矩在磁场中的能量为结束语磁场对液态物质的排序作用已被电子显微镜4_E = - B = - B 2 ,对 于 抗 磁 物 质 , | 2 | , 所以 , 分 子平面法向垂直于磁场是稳定状态 。在图 2 中 , 如果 液态物质自下而上地流动 , 即液体的流动方向与磁 场垂直 , 则物质通过磁场作用后 , 分子平面是沿着液 体流动和磁场确定的平面方向 。使分子取向的最大磁力矩为观察证实10 ,11。如果磁处理的机理是磁场对运动电偶极子的排列取向作用 ,这似乎是流速越大越好 ,磁场越强越好 ,并且与磁场梯度无关 。事实表明 ,磁 处理效果与磁场梯度有关 ,并且磁感应强度 、流速等因素都存在一个最佳范围11 。如果用磁场对抗磁 性物质分子的取向作用来解释将更为合理 。因为磁场梯度越大 ,分子运动时磁场变化引起的感应电场 对分子中电子产生的作用力越大 ,从而产生较强的z 2 2e Br2 .M max= B = B =( 17)i6 mi = 1抗磁性及抗磁各 向 异 性 , 有 利 于 分 子 的 排 列 取 向 。液体类似于非晶态物质 , 分子处于近程有序而远程无序的状态 。分子和离子的结合以团束的形式 存在 。在式 ( 17) 中 , 若取 z 102 , 并将 e = 1 . 6 分子的流速太小 ,管道内流态为“塞状”,液态物质作整体运动 ,流动不具有分层作用 ; 磁场太弱 ,不能产 生足够强的抗磁性 ,这些因素都不利于分子的有序排列 。流速太大以及磁场太强又容易使分子在离开 磁场时的有序排列被破坏 ,以至于影响了磁处理效果 。关于这个问题 ,有待更深入地研究 。10 - 19 C , B10 - 31r2= 0 . 2 T , m = 9 . 1kg , =10 - 20 m2 代 入 式 ( 17) , 得 到 分 子 受 到 最 大 磁 力 矩M max 10 - 27 N m. 在分子由其平面垂直于磁场方向转 向 平 行 于 磁 场 方 向 的 过 程 中 , 磁 力 的 功 亦 为10 - 27 J . 对于原油等物质中的大分子 ,最大磁力矩可 超过 10 - 24 N m. 可见 ,磁场促使抗磁物质分子取向参考文献1 汪仲清 . 磁 防 蜡 技 术 机 理 初 探 . 油 田 地 面 工 程 , 1992 , 11(5) :2729汪仲清 . 液态流体的粘度与磁处理降粘作用的机理 . 石油 学报 ,1995 ,16 (4) :154160汪仲清 . 物质系统分子的热运动及相互作用对磁处理的 影响 . 磁能应用技术 ,1993 , (2) : 1213赵凯华 ,陈熙谋 . 电磁学 ( 下册) . 北京 : 人民教育出版社 ,1978戴道生 ,钱昆明 . 铁磁学 (上册) . 北京 :科学出版社 ,1987汪仲 清 . 物 质 的 磁 性 及 抗 磁 各 向 异 性 . 磁 能 应 用 技 术 ,1993 , (4) :2931会科学文献出版社 ,1991汪仲清 . 磁处理与对称性破缺28磁处理水垢结晶问题的再讨论 . 工科物理 ,1993 , (3) :4244汪仲清 . 磁处理对物质系统热性质的影响 . 石油大学学报(自然科学版) ,1995 ,19 (6) :122125 苏 克拉辛著 . 水系统的磁处理 . 北京 : 宇航出版 社 ,1988胡博仲主编 . 磁技术在采油生产中的应用 . 北京 :石油工业出版社 ,1993(责任编辑刘为清)3941056117 美 詹姆斯格莱克著 . 混沌学一门新科学 . 北京 :社(上接第 115 页) 2 2 n + j - k - 21rk +11 - r0 r4 m + ( k +1) +1各向( 1 - | | 2 r2 ) 2 k - j +3 d r1 - | | 2 r22 2 n + j - k - 11= 0 r4 m + ( k +1) + ( k +1)- 1 1 - r 2- 1( 1 - | | 2 r2 ) 2 k - j +1 d ( 2 n + j -k - 1) ( | | - 1) 2 1 - | | 2 r2 2 2 n + j - k - 111 - r1( 2 m + k + 1)0 r动和的平 4 m + k + ( k +1)定( 1 - | | 2 r2 ) 2 k - 2j +1 d r= -1 - | | 2 r2( 2 n + j - k - 1) - 1 ( | | 2 - 1) - 1 .kk注意到 和