Электроакустические явления - Electroacoustic phenomena

Электроакустические явления возникают, когда УЗИ распространяется через жидкость содержащий ионы. Связанное движение частицы порождает электрический сигналы, потому что ионы имеют электрический заряд. Эта связь между ультразвуком и электрическое поле называется электроакустическими явлениями. Жидкость может быть простой Ньютоновская жидкость, или сложный неоднородный разброс, эмульсия или даже пористое тело. В зависимости от природы жидкости существует несколько различных электроакустических эффектов.^[1][2]

• Ионный ток вибрации (IVI) и потенциал, электрический сигнал, который возникает, когда акустическая волна распространяется через однородный жидкость.
• Поток вибрации тока (SVI) и потенциал, электрический сигнал, который возникает, когда акустическая волна распространяется через пористое тело, в котором поры заполнены жидкостью.
• Коллоидный вибрационный ток (CVI) и потенциал, электрический сигнал, который возникает, когда ультразвук распространяется через неоднородный жидкость, такая как разброс или же эмульсия.
• Электрическая акустическая амплитуда (ESA), обратный эффекту CVI, при котором акустическое поле возникает, когда электрическое поле распространяется через неоднородный жидкость.

Ионный ток вибрации

Основная статья: Ионный ток вибрации

Исторически IVI был первым известным электроакустическим эффектом. Это было предсказано Дебаем в 1933 году.^[3]

Поток вибрации тока

Основная статья: Поток вибрации тока

Поток вибрации был экспериментально обнаружен в 1948 году Уильямсом.^[4] Теоретическая модель была разработана 30 лет спустя Духин и другие.^[5] Этот эффект открывает еще одну возможность для характеристики электрических свойств поверхностей пористых тел. Подобный эффект можно наблюдать на непористой поверхности, когда звук отражается под косым углом. Падающая и отраженная волны накладываются друг на друга, вызывая колебательное движение жидкости в плоскости границы раздела, тем самым генерируя протекающий переменный ток с частотой звуковых волн.^[6]

Двухслойное сжатие

В двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с параллельными пластинами со сжимаемым диэлектрическим заполнением. Когда звуковые волны вызывают локальное изменение давления, расстояние между пластинами изменяется в зависимости от частоты возбуждения, создавая ток смещения переменного тока, нормальный к границе раздела. По практическим причинам это легче всего наблюдать на проводящей поверхности.^[7] Следовательно, можно использовать электрод, погруженный в проводящий электролит, в качестве микрофона или даже в качестве громкоговорителя, когда эффект применяется в обратном направлении.^[8]

Коллоидный вибрационный потенциал и ток

Основная статья: Коллоидный вибрационный ток

Коллоидный вибрационный потенциал измеряет разность потенциалов переменного тока, возникающую между двумя идентичными расслабленными электродами, помещенными в дисперсию, если последний подвергается воздействию ультразвукового поля. Когда звуковая волна проходит через коллоидную суспензию частиц, плотность которых отличается от плотности окружающей среды, инерционные силы, вызванные вибрацией суспензии, вызывают движение заряженных частиц относительно жидкости, вызывая переменную электродвижущую силу. Проявления этой электродвижущей силы могут быть измерены в зависимости от соотношения между импедансом подвески и измерительным прибором либо как потенциал коллоидной вибрации, либо как коллоидный вибрационный ток.^[9]

Коллоидный вибрационный потенциал и ток были впервые описаны Германсом, а затем независимо Рутгерсом в 1938 году. Они широко используются для характеристики ζ-потенциала различных дисперсий и эмульсий. Эффект, теория, экспериментальная проверка и многочисленные приложения обсуждаются в книге Духина и Гетца.^[2]

Электрическая акустическая амплитуда

Основная статья: Электрическая акустическая амплитуда

Электрическая акустическая амплитуда была экспериментально обнаружена Кэнноном с соавторами в начале 1980-х годов.^[10] Он также широко используется для характеристики ζ-потенциала в дисперсиях и эмульсиях. Хантер опубликовал обзор теории этого эффекта, экспериментальную проверку и многочисленные приложения.^[11]

Теория CVI и ESA

Что касается теории CVI и ESA, О'Брайен сделал важное наблюдение:^[12] кто связал эти измеренные параметры с динамическая электрофоретическая подвижность μ_d.

${displaystyle CVI(ESA)=Aphi mu _{d}{frac {ho _{p}-ho _{m}}{ho _{m}}}}$

куда

A - калибровочная постоянная, зависящая от частоты, но не от свойств частиц;

ρ_п - плотность частиц,

ρ_м плотность жидкости,

φ - объемная доля дисперсной фазы,

Динамическая электрофоретическая подвижность аналогична электрофоретическая подвижность что появляется в электрофорез теория. Они идентичны на низких частотах и ​​/ или для достаточно мелких частиц.

Существует несколько теорий динамической электрофоретической подвижности. Их обзор дан в работе 5. Два из них - самые важные.

Первый соответствует пределу Смолуховского. Это дает следующее простое выражение для CVI для достаточно мелких частиц с пренебрежимо малой зависимостью CVI от частоты:

${displaystyle CVI(ESA)=Aphi {frac {varepsilon _{0}varepsilon _{m}zeta mathrm {K} _{s}}{eta mathrm {K} _{m}}}{frac {ho _{p}-ho _{s}}{ho _{s}}}}$

куда:

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε_м - диэлектрическая проницаемость жидкости,

ζ - это электрокинетический потенциал

η - динамическая вязкость жидкости,

K_s - проводимость системы,

K_м - проводимость жидкости,

ρ_s плотность системы.

Это удивительно простое уравнение имеет такую ​​же широкую область применимости, что и уравнение Смолуховского для электрофорез. Он не зависит от формы частиц, их концентрации.

Действительность этого уравнения ограничена следующими двумя требованиями.

Во-первых, это действительно только для тонких двухслойный, когда Длина Дебая намного меньше радиуса частицы a:

${displaystyle {kappa }a>>1}$

Во-вторых, он не учитывает вклад поверхностная проводимость. Это предполагает небольшой Число Духина:

${displaystyle Du<<1}$

Ограничение тонкого двойного слоя ограничивает применимость этой теории типа Смолуховского только к водным системам с достаточно крупными частицами и не очень низкой ионной силой. Эта теория не работает для наноколлоидов, включая белки и полимеры с низкой ионной силой. Это не относится к жидкостям с низкой или неполярной полярностью.

Другая теория применима и для другого крайнего случая толстого двойного слоя, когда

${displaystyle {kappa }a<1}$

Эта теория учитывает перекрытие двойных слоев, которое неизбежно возникает для концентрированных систем с толстым двойным слоем. Это позволяет ввести так называемый «квазиоднородный» подход, когда перекрывающиеся диффузные слои частиц покрывают все межчастичное пространство. В этом крайнем случае теория значительно упрощается, как показали Шилов и другие.^[13] Их вывод предсказывает, что поверхностная плотность заряда σ является лучшим параметром, чем ζ-потенциал, для характеристики электроакустических явлений в таких системах. Ниже приводится упрощенное выражение для CVI для мелких частиц:

${displaystyle CVI=A{frac {2{sigma }a}{3eta }}{frac {phi }{1-phi }}{frac {ho _{p}-ho _{s}}{ho _{s}}}}$

Смотрите также

• Интерфейс и коллоидная наука

Рекомендации

1. Международный стандарт ISO 13099-1, 2012, «Коллоидные системы. Методы определения дзета-потенциала. Часть 1. Электроакустические и электрокинетические явления».
2. Духин, А. и Гетц, П.Дж. Определение характеристик жидкостей, нано-, микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука., Эльзевир, 2017 ISBN  978-0-444-63908-0
3. Дебай, П. (1933). «Метод определения массы электролитических ионов». Журнал химической физики. 1 (1): 13–16. Дои:10.1063/1.1749213. ISSN  0021-9606.
4. Уильямс, Милтон (1948). «Электрокинетический преобразователь». Обзор научных инструментов. 19 (10): 640–646. Дои:10.1063/1.1741068. ISSN  0034-6748. PMID  18888189.
5. Духин С.С., Мищук Н.А., Кузьменко Б.Б., Ильин Б.И. «Текущий ток и потенциал в высокочастотном акустическом поле» Colloid J., 45, 5, 875-881,1983
6. Glauser, A.R .; Робертсон, П.А.; Лоу, C.R. (2001). «Электрокинетический датчик для изучения погружаемых поверхностей с помощью сфокусированного ультразвука». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 80 (1): 68–82. Дои:10.1016 / S0925-4005 (01) 00888-7. ISSN  0925-4005.
7. Kukoz, F.I .; Кукоз, Л.А. (1962). «Природа аудиоэлектрохимических явлений». Русь. J. Phys. Chem. 36: 367–369.
8. Танковский, Н. (2000). «Емкостный ультразвуковой преобразователь на основе двойного электрического слоя в электролитах». Журнал прикладной физики. 87 (1): 538–542. Дои:10.1063/1.371896. ISSN  0021-8979.
9. Delgado, A. V .; González-Caballero, F .; Хантер, Р.Дж .; Koopal, L.K .; Ликлем, Дж. (2005). «Измерение и интерпретация электрокинетических явлений». Pure Appl. Chem. 77 (10): 1753–1805. Дои:10.1351 / pac200577101753.
10. Оя, Т., Петерсен, Г., и Кэннон, Д. «Измерение электрокинетических свойств раствора», патент США 4,497,208,1985.
11. Хантер, Роберт Дж. (1998). «Последние разработки в области электроакустической характеристики коллоидных суспензий и эмульсий». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты. 141 (1): 37–66. Дои:10.1016 / S0927-7757 (98) 00202-7. ISSN  0927-7757.
12. О'Брайен, Р. В. (2006). «Электроакустические эффекты в разбавленной суспензии сферических частиц». Журнал гидромеханики. 190 (1): 71–86. Дои:10.1017 / S0022112088001211. ISSN  0022-1120.
13. Шилов В.Н.; Борковская, Ю.Б .; Духин, А.С. (2004). «Электроакустическая теория концентрированных коллоидов с перекрывающимися ДЛ при произвольном κa». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 277 (2): 347–358. Дои:10.1016 / j.jcis.2004.04.052. ISSN  0021-9797. PMID  15341846.