离心机工作原理

离心机工作原理

要通俗的解说离心机的工作原理，首先我们需要来做一个游戏，现在拿出一张纸,在上面画一个圆,点出圆心的位置并画一条半径.假设在半径和圆周交点处有一个物体,那么这就是

一个非常简易的离心机纵视图.由这个图来解释离心机的工作原理.物体作匀速圆周运动时遵循一个规律:F=m*v*v/r,式中F代表离心力,它沿着半径指向圆心.m代表物体的质

量,v代表物体的线速度,当然还有角速度那是在另一个公式里.r就是半径了.在一个离心机中离心力主要由机壁提供,当上述等式成立时,物体就会一直做圆周运动而不离开圆面. 但当离心机的转动速度提高到使左边小于右边,也就是说离心力不足时物体就会逃脱离心

力的控制而离开圆面这样离心机中物体就被甩出了.

当含有细小颗粒的悬浮液静置不动时，由于重力场的作用使得悬浮的颗粒逐渐下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液体小的粒子就会上浮。微粒在重力场下移动的速度与微粒的大小、形态和密度有关，并且又与重力场的强度及液体的粘度有关。象红血球大小的颗粒，直径为数微米，就可以在通常重力作用下观察到它们的沉降过程。

此外，物质在介质中沉降时还伴随有扩散现象。扩散是无条件的绝对的。扩散与物质的质量成反比，颗粒越小扩散越严重。而沉降是相对的，有条件的，要受到外力才能运动。沉降与物体重量成正比，颗粒越大沉降越快。对小于几微米的微粒如病毒或蛋白质等，它们在溶液中成胶体或半胶体状态，仅仅利用重力是不可能观察到沉降过程的。因为颗粒越小沉降越慢，而扩散现象则越严重。所以需要利用离心机产生强大的离心力，才能迫使这些微粒克服扩散产生沉降运动。

离心就是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。

离心机是利用离心力对混合液（含有固形物）进行分离和沉淀的一种专用仪器。实验室常用电动离心机有低速、高速离心机和低速、高速冷冻离心机，以及超速分析、制备两用冷冻离心机等多种型号。其中以低速（包括大容量）离心机和高速冷冻离心机应用最为广泛，是生化实验室用来分离制备生物大分子必不可少的重要工具。在实验过程中，欲使沉淀与母液分开，常使用过滤和离心两种方法。但在下述情况下，使用离心方法效果较好。

①沉淀有粘性或母液粘稠。

②沉淀颗粒小，容易透过滤纸。

③沉淀量过多而疏松。

④沉淀量很少，需要定量测定。或母液量很少，分离时应减少损失。

⑤沉淀和母液必须迅速分开。

⑥一般胶体溶液。

1、分离因素的含义：

在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值。分离因素愈大（或愈小），说明两种溶质分离效果愈好，分离因素等于1，这两种溶质就分不开了。离心机上的分离因素则指的是相对离心力。

2、影响分离因素的主要因素：

离心力Centrifugal force (F) 离心力作为真实的力根本就不存在，在非惯性系中为计算方便假想的一个力。请看下面的说明：向心力使物体受到指向一个中心点的吸引、或推斥或任何倾向于该点的作用。笛卡儿把离心力解释为物体保持其“限定量”的一种趋势。它们的区别就是，向心力是惯性参考系下的，而离心力是非惯性系中的力。我们处理物理题时都是在惯性系下（此时牛顿定律才成立），所以一般不用离心力这个概念。由于根本不是一个情况下的概念，我们无法对他们的方向和大小进行比较。

F=mω2r

ω：旋转角速度(弧度／秒) r:旋转体离旋转轴的距离(cm) m：颗粒质量

相对离心力Relative centrifugal force (RCF)

RCF 就是实际离心力转化为重力加速度的倍数

g为重力加速度(9.80665m/s2)

同为转于旋转一周等于2π弧度，因此转子的角速度以每分钟旋转的次数(每分钟转数n或r/min)表示：一般情况下，低速离心时常以r／min来表示。

3、分离因素计算公式：

RCF=F离心力／F重力= mω2r/mg= ω2r/g= （2*π*r/r*rpm）2*r/g注：rpm应折换成转/秒

例如：直径1000mm，转速1000转/分的离心机，分离因素为：

RCF(1000)=(2*3.1415*16.667)^2*0.5/9.8

=104.72^2*0.5/9.8

=560

1、沉降系数（sedimentation coefficient，s）根据1924年Svedberg（离心法创始人--瑞典蛋白质化学家）对沉降系数下的定义：颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。沉降系数是以时间表示的。用离心法时，大分子沉降速度的量度，等于每单位离心场的速度。或s=v/ω2r。s是沉降系数，ω是离心转子的角速度（弧度/秒），r是到旋转中心的距离，v是沉降速度。沉降系数以每单位重力的沉降时间表示，并且通常为1～200×10^-13秒范围，10^-13这个因子叫做沉降单位S，即1S=10^-13秒.

2、基本原理

物体围绕中心轴旋转时会受到离心力F的作用。当物体的质量为M、体积为V、密度为D、旋转半径为r、角速度为ω（弧度数/秒）时，可得：

F=Mω2r 或者F=V.D.ω2r （1）

上述表明：被离心物质所受到的离心力与该物质的质量、体积、密度、离心角速度以及旋转半径呈正比关系。离心力越大，被离心物质沉降得越快。

在离心过程中，被离心物质还要克服浮力和摩擦力的阻碍作用。浮力F｝和摩擦力F｝｝分别由下式表示：

F’=V.D’.ω2r （2）

F’’=f dr/dt （3）

其中D｝为溶液密度，f为摩擦系数，dr/dt为沉降速度（单位时间内旋转半径的改变）。

基本原理

在一定条件下，可有：

F=F’+F’’

V.D. ω2r =V.D’ω2r + f. dr/dt

dr/dt =Vω2r (D-D’)/f (4)

式(4)表明，沉降速度与被离心物质的体积、密度差呈正比，与f成反比。若以S表示单位力场（ω2r=1）下的沉降速度，则

S=V(D-D’)/f 。S即为沉降系数

惯性系Ox'y'z'绕惯性系Oxyz的z轴(z轴垂

直于平面Oxy,图中未画出)以角速度ω匀速转动.在这种非惯性系中

也可应用非惯性系牛顿第二定律:质点受到的外力和惯性力的合力,

等于质量与加速度的乘积.这里的惯性力也是假想的力,没有施力物

体.这种惯性力包含两项,其中一项是由Oxyz的z轴上的某点垂直于z

轴指向质点，称为惯性离心力,另一项比较复杂,与质点相对坐标系

O'x'y'x'的速度有关,称为科里奥利力或科氏力.

对于相对非惯性系O'x'y'z'保持静止的质点来说, 惯性力只有

一项:惯性离心力.

质点离z轴的距离为r时,质点在非惯性系O'x'y'z' 中受到的惯

性离心力的大小等于mω2r.

在惯性系中应用动力学定律时，不应该使用惯性力和惯性离心

力概念.

例题1:如图37,细杆MN竖直放在圆盘上,在绳子的M 端跟圆盘的

中心Q点之间连有一根细绳.原来圆盘静止,细绳上拉力为零.圆盘以

角速度ω绕OO'轴匀速转动时,细杆相对圆盘静止,仍然竖直,这时细

绳上的拉力多大?已知细杆的质量为m,QN=NM=s.