什麼是毛細現象、虹吸原理、潤濕、不潤濕

什麼是毛細現象、虹吸原理、潤濕、不潤濕

「毛細現象」與「虹吸原理」是我們日常生活中經常會遇到的兩種自然現象,但這兩種現象也經常讓許多人混淆,因為這兩者有點類似,都容易讓人聯想到液體與吸管類的物品。但兩者的原理則大異其趣,「毛細現象」是液體的附著力與表面張力之間的拔河,而「虹吸原理」則是不同位置液體間的壓力差異所致。

在日常生活中,衛生紙可以快速吸水、原子筆可以源源不絕的寫出字(越細的原子筆筆芯內徑才越可以在倒立的清況下源源不絕的寫出墨水)、眼淚可以從眼睛不斷地流出來、蠟燭的燈芯可以持續燃燒等都是「毛細現象」的應用。而我們每天都要用到的馬桶沖水則是利用了「虹吸原理」產生的吸力將髒東西排出。而魚缸排水與將汽油從車子油箱中用管子抽出也是「虹吸原理」的應用。







在電子組裝生產中,零件在焊接中引腳爬錫則是「毛細現象」的一種體現,適當的引腳爬錫可以增零件的強焊錫強度,但爬錫如果超乎預期可就是個悲劇,經常見到的討論是連接器的引腳爬錫達到了接觸區問題。

PCB製程中出現的「燈芯效應(Wick effect)」也是「毛細現象」的一種體現

另外,PCB製程中出現的「燈芯效應(Wick effect)」也是「毛細現象」的一種體現,因為PCB基板在機械鑽孔製作PTHvia時,容易因為摩擦、振動與鑽頭旋轉的撕扯力而造成PCB基板中的玻璃纖維紗綻開,然後在後續的電鍍銅作業時,液態銅會沿著這些基板纖維間的縫隙進行浸透,嚴重時將造成【CAF (Conductive Anodic Filament),電路板內微短路現象】。

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毛細現象(Capillary action)

「毛細現象」又稱「毛細管作用(Capillary action)」,是指液體與固體接觸時,液體本身由於內聚力(cohesive force)所產生的表面張力,以及液體與接觸固體之間的附著力(adhesive Force),所形成的一種自然平衡的趨勢,特別是在細管內的液體,因為表面張力變小(毛細管中表面張力與細管半徑成正比)且附著力不變的情況下,液體無需施加外力就可以克服地心引力升高液面流向毛細管的末端。

所以,植物的根部在吸收到水分後能夠自行傳輸到末端葉片,就是經由根莖內的纖維管束巧妙利用「毛細管作用」最經典的例子。

當液體和固體(管壁)之間的附著力大於液體本身的內聚力時,就會發生「毛細現象」。不同液體放置在垂直的細管中時液面呈現出凹狀或凸狀、海綿以及多孔材質物體能吸收液體等皆為此現象所造成的影響。我們可以透過觀察玻璃杯或是試管中的水,看見水「黏」在玻璃杯壁上並使得水面呈現U(凹)形來證明水的「附著力」。毛細管中水面的高度則會一直上升直到水的重量與附著力平衡時才會停止。

液體本身的分子與分子之間也會具有引力,就類似地球的引力,因此可以使得液體向內聚在一起,這就是「內聚力」。內聚力也是液體為了獲得最小表面位能的自然傾向,而球形則是內聚力極致表現的最佳型態。例如:下雨或是小水滴滴落時會以球型落下,當兩滴滴在玻璃上小水滴彼此靠近時,馬上就會因為內聚力而聚成一顆大水珠。

既使在液體受到其他限制而無法形成球狀物,它們也會盡量縮收其表面積並在液體表面形成一面宛如張緊的薄膜,這種使液體表面收縮的力,就稱之為「表面張力」。

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潤濕(wetting)、不潤濕(non-wetting)

在電子製造業中,我們則經常以「潤濕(wetting)」這個詞來形容這種現象,當液態焊錫與焊墊/焊盤或是零件引腳接觸時,液態焊錫對焊墊或引腳的附著力大於液態焊錫內聚力時就可以潤濕,反之就是「不潤濕(non-wetting)」。不過焊錫除了潤濕外還伴隨有IMC生成的化學反應。

那什麼因素會影響到焊錫潤濕的能力呢?一樣可以用附著力與內聚力來解釋,當焊墊的表面金屬有氧化時,就會影響到液態焊錫的附著力,也就是其表面能增加,讓焊錫無法潤濕。如果是錫膏氧化,想要融化錫膏就需要比較高的溫度,但是溫度越高氧化又會變嚴重,惡性循環啊。

兩塊玻璃之間的毛細管上升實驗

將兩片玻璃垂直重疊在一起,玻璃一端的邊緣夾住一根2.0mm的垂直火柴棒,讓兩片玻璃之間的縫隙從0~2mm單面張開,用橡皮筋綁住兩片玻璃後,將下端放置於水中(如下圖),就可以看到水沿著兩片玻璃間的縫隙上升,隨著縫隙越小(左側),水平面上升就越高,而且可以看得出來縫隙的寬度(d)與水面上升的高度(h)剛好成反比。


圖片由 Zátonyi Sándor (ifj.), Fizped – 自己的作品, CC BY 4.0, 連結

虹吸原理(Siphon)

「虹吸(siphon或syphon)」是一種流體力學的自然現象「虹吸(siphon或syphon)」是一種流體力學的自然現象,它透過兩處不同高度液體所形成的壓力差而不藉助馬達或唧筒幫助的情況下就可以抽吸壓力較大的液體輸往壓力較小的液體處。

「U型虹吸管」的運作基本上利用到了兩個原理。一個是液體的「內聚力」,它讓液體可以沿著虹吸管不斷的往上越過原本液面的高度。另一個則是處於不同高度液體的「重力差」,或者也叫做「位能差」,不同高度的液體因為重力的關係會讓高處的液體流往低處。兩處液體間的流動在沒有其他外力介入下將一直流動,直到高位處的液體流光,或是兩處液面的高度變得一樣高時才會停止流動。

我們每天都要用到的馬桶沖水則是利用了「虹吸原理」產生的吸力將髒東西排出。洗臉盆下方的U形排水管雖然也有利用到「虹吸原理」,但它的設計與更大的作用是要利用其「U型存水彎」來防止排水管中臭氣或其他氣體逆流倒灌進室內。

圖片來自Wikimedia。中國古代有一種酒器「九龍公道杯」,古希臘也有「畢德哥拉斯杯(Pythagorean cup)」都內藏虹吸管。中國古代有一種酒器叫做「九龍公道杯」,在國外古希臘也有類似的酒杯叫做「畢德哥拉斯杯(Pythagorean cup)」,這兩種酒杯有異曲同工之妙,都是利用「虹吸原理」來製成酒杯,內藏玄機,如果有人貪杯,將酒杯斟得太滿,超過了酒杯內部虹吸管的高度,酒就會透過虹吸管從底孔完全流光。

它用來警惕世人不可貪杯,延伸做人要公道,不可過貪,只取自己所得,否則將一無所得。有興趣的朋友可以網路找一下這兩種酒杯的結構圖來參考。


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