Электрическая мобильность - Electrical mobility

Для использования в других целях см. Электромобиль.

Для электрической мобильности электрон или же дыра в физика твердого тела, видеть Электронная подвижность.

Электрическая мобильность это способность заряженных частиц (например, электроны или же протоны ) перемещаться по среде в ответ на электрическое поле это их тянет. Разделение ионов по их подвижности в газовой фазе называется спектрометрия ионной подвижности, в жидкой фазе называется электрофорез.

Теория

Когда заряженная частица в газ или же жидкость действует униформа электрическое поле, он будет ускоряться, пока не достигнет постоянного скорость дрейфа в соответствии с формулой

${\displaystyle v_{\text{d}}=\mu E,}$

куда

${\displaystyle v_{\text{d}}}$ - скорость дрейфа (Единицы СИ: РС),

${\displaystyle E}$ - величина приложенного электрического поля (В / м),

${\displaystyle \mu }$ подвижность (м²/(Против)).

Другими словами, электрическая подвижность частицы определяется как отношение скорости дрейфа к величине электрического поля:

${\displaystyle \mu ={\frac {v_{\text{d}}}{E}}.}$

Например, подвижность иона натрия (Na⁺) в воде при 25 ° C составляет 5.19×10⁻⁸ м²/(Против).^[1] Это означает, что ион натрия в электрическом поле 1 В / м будет иметь среднюю скорость дрейфа 5.19×10⁻⁸ РС. Такие значения могут быть получены из измерений ионная проводимость в растворе.

Электрическая мобильность пропорциональна чистой обвинять частицы. Это было основанием для Роберт Милликен демонстрация того, что электрические заряды возникают в дискретных единицах, величина которых равна заряду электрон.

Электрическая подвижность также обратно пропорциональна Радиус Стокса ${\displaystyle a}$ иона, который представляет собой эффективный радиус движущегося иона, включая любые молекулы воды или другого растворителя, которые движутся вместе с ним. Это верно, потому что сольватированный ион движется с постоянной скорость дрейфа ${\displaystyle s}$ подвержен двум равным и противоположным силам: электрическая сила ${\displaystyle zeE}$ и сила трения ${\displaystyle F_{\text{drag}}=fs=(6\pi \eta a)s}$, куда ${\displaystyle f}$ - коэффициент трения, ${\displaystyle \eta }$ - вязкость раствора. Для разных ионов с одинаковым зарядом, например Li⁺, Na⁺ и K⁺ электрические силы равны, так что скорость дрейфа и подвижность обратно пропорциональны радиусу ${\displaystyle a}$.^[2] Фактически, измерения проводимости показывают, что ионная подвижность увеличивается от Ли⁺ в Cs⁺, а значит, радиус Стокса уменьшается от Ли⁺ в Cs⁺. Это противоположно порядку ионные радиусы для кристаллов и показывает, что в растворе более мелкие ионы (Li⁺) более широко гидратированный чем больший (Cs⁺).^[2]

Подвижность в газовой фазе

Подвижность определяется для любых частиц в газовой фазе, встречающихся в основном в плазма физика и определяется как

${\displaystyle \mu ={\frac {q}{m\nu _{\text{m}}}},}$

куда

${\displaystyle q}$ это заряд вида,

${\displaystyle \nu _{\text{m}}}$ - частота столкновений с передачей импульса,

${\displaystyle m}$ масса.

Подвижность связана с видовой коэффициент диффузии ${\displaystyle D}$ через точное (термодинамически необходимое) уравнение, известное как Соотношение Эйнштейна:

${\displaystyle \mu ={\frac {q}{kT}}D,}$

куда

${\displaystyle k}$ это Постоянная Больцмана,

${\displaystyle T}$ это газ температура,

${\displaystyle D}$ - коэффициент диффузии.

Если определить длина свободного пробега с точки зрения передача импульса, то для коэффициента диффузии получаем

${\displaystyle D={\frac {\pi }{8}}\lambda ^{2}\nu _{\text{m}}}$.

Но как длина свободного пробега с передачей импульса и частота столкновений с передачей импульса сложно рассчитать. Можно определить многие другие длины свободного пробега. В газовой фазе ${\displaystyle \lambda }$ часто определяется как диффузионная длина свободного пробега, предполагая, что простое приближенное соотношение является точным:

${\displaystyle D={\frac {1}{2}}\lambda v,}$

куда ${\displaystyle v}$ это среднеквадратичное значение скорость молекул газа:

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {3kT}{m}}},}$

куда ${\displaystyle m}$ - масса диффундирующего вида. Это приближенное уравнение становится точным при использовании для определения диффузионной длины свободного пробега.

Приложения

Электрическая мобильность - основа электростатические осадки, используется для удаления частиц из выхлопных газов в промышленных масштабах. Частицы получают заряд, подвергая их воздействию ионов из электрический разряд при наличии сильного поля. Частицы приобретают электрическую подвижность и под действием поля движутся к собирающему электроду.

Существуют инструменты, которые отбирают частицы с узким диапазоном электрической подвижности или частицы с электрической подвижностью, превышающей заданное значение.^[3] Первые обычно называют «анализаторами дифференциальной мобильности». Выбранная подвижность часто отождествляется с диаметром однозарядной сферической частицы, таким образом, «диаметр электрической подвижности» становится характеристикой частицы, независимо от того, является ли она на самом деле сферической.

Передача частиц выбранной подвижности на такой детектор, как счетчик частиц конденсата позволяет измерить числовую концентрацию частиц с выбранной в данный момент подвижностью. Изменяя выбранную подвижность во времени, можно получить данные о подвижности в зависимости от концентрации. Эта техника применяется в сканирующие измерители подвижности частиц.

Рекомендации

1. Кейт Дж. Лэйдлер и Джон Х. Мейзер, Физическая химия (Бенджамин / Каммингс 1982), стр. 274. ISBN  0-8053-5682-7.
2. Аткинс, П.В.; де Паула, Дж. (2006). Физическая химия (8-е изд.). Oxford University Press. стр.764 –6. ISBN  0198700725.
3. Э. О. Кнутсон и К. Т. Уитби (1975). «Классификация аэрозолей по электрической мобильности: аппаратура, теория и приложения». J. Aerosol Sci. 6 (6): 443–451. Bibcode:1975JAerS ... 6..443K. Дои:10.1016/0021-8502(75)90060-9.