книги из ГПНТБ / Касимзаде М.С. Электрокинетические преобразователи информации
.pdfМ. С. К А С И М З А Д Е , Р. Ф. Х А Л И Л О В , А. Ы. Б А Л А Ш О В
ЭЛЕКТРО
КИНЕТИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ИНФОРМАЦИИ
|
|
I'i J |
УДК 621.35.032.75 |
££) |
%/f34 |
Касимзаде M. С. и др.
К28 Электрокинетические преобразователи информа ции. М., «Энергия», 1973.
136 с. с ил.
Перед загл. авт.: М. С. Касимзаде, Р. Ф. Халилов, А. Н. Ба лашов.
Электрокинетическне преобразователи, являющиеся разновидностью хемотронных преобразователей информации, составляют новый, пер спективный класс преобразователен, пригодных для решения широкого круга задач .
Книга посвящена основам теории и применения электрокинетнческих преобразователей. Рассмотрены физико-химические основы ра боты, методы расчета и конструирования этих преобразователей. Дамы принципы построения, конструкция и технические характеристики элек-
трокннетнческнх |
приборов различного |
назначения. |
|
||
|
Книга рассчитана на специалистов в области измерительной |
тех |
|||
ники, приборостроения, автоматики и |
вычислительной техники. |
|
|||
|
3313 |
237 |
|
|
|
К |
051(01)-73 |
1 7 6 " 7 3 |
|
6 Ф 6 |
© Издательство «Энергия», 1973 г.
Мурад |
Салман |
|
Оглы |
Касимзаде, |
|
||||
Рафик |
Фейзи |
Оглы |
Халилов, |
|
|
||||
Анатолий |
Николаевич |
Балашов |
|
||||||
Электрокинетические преобразователи информации |
|
||||||||
Редактор |
Н. Б. |
Г р и г о р ь е в |
|
||||||
Редактор |
издательства |
Н. А. |
М е д в е д е в а |
|
|||||
Технический |
редактор |
Л. М. |
К у з н е ц о в а |
|
|||||
Обложка |
художника |
Н. Т. Я р е ш к о |
|
||||||
Корректор |
|
Е. |
|
X. Г о р б у н о в а |
|
||||
Сдано в набор |
10/1 |
1973 |
г. |
|
Подписано к печати 29/V 1973 г. |
||||
Формат |
84Х108'/щ |
|
|
|
Бумага |
типографская № 2 |
|||
Усл. печ. л . |
7,14 |
|
|
|
|
|
Уч.-нзд. л . 7,98 |
||
Тираж |
5000 экз . |
|
|
|
|
Зак. 24 |
Цена 48 коп. |
||
издательство |
«Энергия>. Москва, |
N1-114. Шлюзовая наб . . 10. |
|
||||||
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома |
|
||||||||
при Государственном |
комитета Совета Министров СССР |
|
|||||||
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. |
|
||||||||
Москва. М-114, |
Шлюзовая наб . , 10. |
|
Введение
Современное развитие мауки и техники предъявляет все возрастающие и разносторонние требования « э л е м е н т а м и устройствам автоматики, измерительной и вычислитель ной техники 'в отношении расширения их возможностей, улучшения конструкций, и технических характеристик, а т а к ж е 'повышения надежности. Удовлетворение этих требований невозможно без существенного развития принципов построения соответствующих элементов, при
влечения д л я |
этого новейших достижений естественных |
и технических |
наук. |
З а последние годы « а стыке физики, химии и элек троники зародилось и успешно развивается новое на
правление — хемотроника, |
использующая |
электрохими |
||||
ческие явления |
д л я построения средств |
автоматики, из |
||||
мерительной и вычислительной |
техники, |
моделирования |
||||
биологических процессов. |
|
|
|
|
|
|
Хемотронные |
приборы |
уж е нашли |
применение |
|||
в устройствах и |
системах, |
разработанных |
как в |
С С С Р , |
||
т а к и за .рубежом. Успешная |
исследовательская |
и кон- |
структорско-технологическая работа в области хемотроники в Советском Союзе 'Проводится коллективами под руководством Н . С. Лидоренко, Б . С. Сотскова, П. Д . Лу - ковцева, Р . Ш. Нигматулина, И. В. Стрижевского, А. П. Шорыгина, Б . М. Графова, М. Л . Фиша и других ученых. Одним из перспективных классов хемотронных приборов являются электрокинетические 'преобразовате ли ( Э К П ) , основанные на использовании электрокинети ческих явлений, связанных с электромеханическими про цессами на границе раздела фа з и сопровождающихся непосредственным преобразованием энергии движения жидкости в электрическую энергию и обратно — электри ческой энергии в движение жидкости.
Обратимость, широкий рабочий частотный и темпе ратурный диапазоны, охватывающие частоты от тысяч
ных долей герца до |
ультразвуковых и |
температуры |
|||
— (40—50) -и + |
(150—200) °С), |
незначительная |
темпера |
||
турная погрешность, |
высокая |
чувствительность, |
болыцой |
||
динамический |
диапазон, м а л ы й уровень |
собственных |
шумов, надежность, простота конструкции и другие ка
чества |
открывают возможность |
широкого |
применения |
|
Э К П |
в измерительной |
технике, |
автоматике |
в качестве |
решающих и логических |
элементов. |
|
В .настоящее время на базе электрокинетических пре образователен предложены н разрабатываются приборы д л я измерения различных механических величин — давления, перемещения, линейного и углового ускорения, тепловых, акустических, медико-биологических парамет ров, для перекачки, контроля состава, дозирования н измерения расхода жидкостей.
Используя электрокииетические преобразователи са мостоятельно и комбинируя их с электролитическими хемотроннымп преобразователями, предложены различ ные элементы автоматики и вычислительной техники — коммутатор, функциональный преобразователь, интегра тор, усилитель, умножитель, сумматор и т. д.
Исследования щ области |
электрокинетических преоб |
|
разователей проводятся как |
в С С С Р , т а к и .в |
ряде дру |
гих стран. Однако 'Несмотря |
на достигнутые |
результаты |
предстоит дальнейшее развитие теории и усовершенст вование технологии изготовления этих преобразователей. В отечественной и зарубежной литературе сведения об
электрокинетических |
. преобразователях |
представлены |
главным образом в |
разрозненных ж у р н а л ь н ы х статьях |
и патентных описаниях. В специальной литературе, по священной хемотронным преобразователям информации, электрокннетическим преобразователям уделено незна чительное место.
Все это, естественно, создает трудности для ознаком ления широкого 'Круга специалистов со свойствами и воз можностями электрокииетических преобразователей и в значительной мере задерживает их практическое при менение. В настоящей работе сделана попытка в опре деленной мере устранить этот пробел.
•В гл. 1—3 рассмотрены физико-химические основы работы, общие свойства, вопросы расчета и конструиро вания электрокинетаческих преобразователей.
В гл. 4 изложены некоторые вопросы технологии из готовления Э К П , значительное внимание уделено конст рукции и техническим характеристикам электрокииетиче ских преобразователей конкретного назначения, разрабо
танным їв С С С Р |
и за |
рубежом . |
Введение, гл. |
1—3 |
написаны М . С. Касимзаде, гл. 4 |
совместно М. С. Касимзаде и Р . Ф. Халиловым, разделы,
относящиеся к электрокапиллярным явлениям |
и преоб |
р а з о в а т е л я м , — совместно М. С. Касимзаде и |
А. Н. Ба |
лашовым . |
|
Г л а в а п е р в а я
Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К ИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ |
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ |
1. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ (ОПРЕДЕЛЕНИЯ, |
|
КЛАССИФИКАЦИЯ) |
|
П од электрокинетическими |
'подразумеваются имеющие |
общую природу явления, происходящие на границе раз дела фаз и связанные с их взаимным перемещением. Классическими формами их являются электроосмотиче ский перенос жидкости, потенциал протекания (течения), потенциал оседания и электрофорез .
Электрокинетические явления |
в капиллярных систе |
|
м а х — электроосмос, потенциал |
(ток) |
течения — можно |
отнести к внутренним, а электрофорез |
'И потенциал осе |
дания (еедиментационный потенциал) — к внешним электрокинетичеоким явлениям [Л. 1].
Известны |
т а ^ ж е другие |
явления, |
имеющие электро |
кинетическую |
природу .или |
смежные |
с ними, — звуко- |
электрохимические эффекты на поляризованных электро дах [Л. 2, 3], 'возникновение потенциала на проводнике с пористой изоляцией, помещенном в жидкость [Л. 4], движение полярных жидкостей в неоднородном электри
ческом поле |
(эффект Сумото) |
{Л. 5], эффекты |
на |
грани |
|
це |
двух несмешивающихся |
жидкостей, находящихся |
|||
в |
капилляе |
(tZ-эффекты или |
Laiur эффекты) |
(Л. |
6, 7], |
возникновение пот&нциала .коллоидной и ионной вибра ции [Л. 4] и т. д.
Исходным пунктом различных теорий злектрокинетических явлений с л у ж и т представление о наличии двой ного электрического слоя на границе раздела фаз . Ха рактерной особенностью электрокинетических эффектов является .их обратимость. С этой т о ч ш зрения возможно классифицировать эти явления на прямые и обратные .
П р я м ые явления — образование электрической разно сти потенциалов за счет:
1) движения жидкости относительно твердой поверх ности — потенциал протекания;
2) движения частиц твердого тела в жидкости — седиментационнып и вибрационный потенциал.
Обратные явления — возникновение при наличии элек трического тюля:
1) движения жидкости относительно твердой поверх ности — электроосмос;
2) движения частиц твердого тела в жидкости — электрофорез.
Электроосмос и электрофорез были открыты профес сором Московского университета Ф. Рейссом в 1808 г. Развитию теории электрокинетических явлений в значи тельной мере способствовали фундаментальные исследо вания И. И. Ж у к о в а и его учеников, А. Н. Фрумкина,
В. В. Дерягнна, С. С. Духнна |
и другихс оветскпх ученых. |
|
2. ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ |
|
СЛОЙ |
И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ (| |
-) |
ПОТЕНЦИАЛ |
Понятие о двойном электрическом слое, введенное в .на уку впервые Квинке (1850 г.) и развитое далее Гельм-
гольцем, широко используется при изучении |
большого |
||
круга различных -по характеру поверхностных |
я в л е н и й 1 . |
||
Одной из общих причин образования двойного слоя, |
|||
следовательно скачка потенциала на Границе |
раздела |
||
фаз, является |
обмен |
заряженными частицами между |
|
ними. В 'большинстве |
случаев в химических процессах, |
||
происходящих |
на границе жидкость — твердое |
тело, ча |
стицами, участвующими >в обмене, являются ионы, в то
время .как |
в |
более широком плане возникновение двой |
|||||
ного |
электрического |
слоя |
может 'быть обусловлено |
как |
|||
переходом |
'Ионов, так |
и электронов (например, на грани |
|||||
це |
металл — металл — вакуум [Л. 9]). Избыточный |
ион |
|||||
ный |
за.ряд |
образуется в |
растворе в результате перехо |
||||
дов |
ионов |
с |
поверхности |
твердой фазы в жидкость |
или |
||
в |
обратном |
направлении. |
|
|
|||
|
Причиной |
образования |
двойного слоя может являть |
||||
ся |
т а к ж е специфическая |
(преимущественно избиратель- |
1 |
Исторический |
обзор |
и современное состояние учения о двой |
ном |
слое дается в |
[Л. 9, |
10]. |
пая) адсорбция ионов определенного знака на границе раздела фаз, хемосорбция разных .компонентов раствора и ориентированная адсорбция полярных молекул вблизи
границы |
р а з д е л а |
фаз . Величина скачка |
потенциала в по |
|
следнем |
случае |
определяется |
числом |
адсорбированных |
молекул, |
дипольным моментом |
и степенью ориентации. |
В общем случае образование двойного слоя может быть связано с комплексным действием указанных при
чин. При этО'М скачок потенциала между двумя |
ф а з а м и |
||
(меж ф а з н ы й п от е 11 ц и ал) |
|
|
|
|
1|) = г1)п + -1|)с.а + |
фд, |
(1) |
где г|)п, i|>c.a, |
я|)д — соответственно скачок потенциала, |
||
обусловленный |
переходом ионов, |
специфической |
адсорб |
цией и адсорбцией дипольных молекул. |
|
||
По Квинке и Гельмгольцу применительно к системе |
|||
металл — раствор двойной слой |
представляется |
в виде |
плоского конденсатора, на обкладках которого сосредо точен весь избыточный з а р я д системы. Расстояние меж ду обкладками 'Конденсатора '(толщина двойного слоя) принимается равным радиусу ионов. В последствии Гуи
(1910 |
г,) |
и Ч а п м а н (1913 г.), учитывая молекулярное |
||||
тепловое движение и базируясь на |
уравнениях |
Пуассона |
||||
и Больцмана, |
развили |
теорию |
диффузного |
двойного |
||
слоя, |
строго |
применимую |
только |
при достаточном раз |
||
бавлении |
раствора. |
|
|
|
По Гуи и Ч а п м а н у тепловое движение ионов, дейст вуя против электростатических сил, удерживающих протнвоионы у поверхности металла, вызывает их диффуз ное распределение в объеме жидкости.
Вдальнейшем появилась адсорбционная теория
Штерна (1924 |
г.), |
объединяющая |
теории Гельмгольца, |
||
Гуи — Ч а п м а н а |
и |
учитывающая специфическую |
адсорб |
||
цию ионов. |
|
|
|
|
|
По |
Штерну |
д л я растворов, содержащих специфиче |
|||
ски адсорбирующиеся ионы, и д л я |
поверхностно неактив |
||||
ных электролитов следует применять различные |
модели |
||||
двойного электрического слоя . |
|
|
|||
•В |
случае |
поверхностно-активных растворов |
ионы |
в плотной части двойного слоя удерживаются не только
электростатическими силами, но и |
силами |
специфиче |
|
ской адсорбции. Вследствие этого в плотной |
части |
двой |
|
ного слоя число зарядов может д а ж е |
превосходить |
число |
з а р я д ов твердой |
поверхности, что является |
причиной'пе |
||||||||
резарядки |
этой |
поверхности. |
|
|
|
|
|
|
||
По |
Штерну |
плотность |
з а р я д а |
твердой |
поверхности |
|||||
По=г|]+г|2, |
где |
т]і — плотность |
зарядов |
адсорбционного |
||||||
слоя |
(по |
Гельмгольцу), т|2 — плотность |
заряд а |
диффуз |
||||||
|
|
|
|
ного |
слоя іГун |
(рис. 1). |
|
|||
|
|
|
|
|
Адсорбционная |
|
часть |
|||
|
|
|
|
двойного слоя связана с твер |
||||||
|
|
|
|
дой |
поверхностью |
достаточ |
||||
|
|
|
|
но |
прочно |
и в |
электрокине |
|||
|
|
|
|
тических явлениях не уча |
||||||
|
|
|
|
ствует вовсе или участие ее |
||||||
|
|
|
|
незначительно. |
|
Б о л ь ш у ю |
||||
|
|
|
|
роль д л я электрокинетиче |
||||||
|
|
|
|
ских |
явлений |
играет |
диф |
|||
Рис. 1. |
Распределение зарядов |
фузная часть двойного |
слоя. |
|||||||
в двойном слое по Штерну. |
|
Исходя |
из |
теории Ш т е р |
||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
на |
о б щ а я толщина |
двойного |
слоя б слагается из толщины адсорбционной части бі,
отвечающей приблизительно |
радиусу сольватированного |
|||||
иона |
(несколько ангстрем), |
и толщины диффузной ча |
||||
сти 62. |
|
|
|
|
|
|
Д л я одно-одновалентных |
электролитов при |
м а л ы х |
||||
концентрациях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
где |
F — число |
Фарадея ; с, |
Т — концентрация |
и |
темпе |
|
ратура электролита; R — газовая |
постоянная; |
є — ди |
||||
электрическая |
проницаемость. И з |
выражени я |
(2) |
видно, |
что 62 обратно пропорциональна квадратному корню из
концентрации |
и |
возрастает с |
увеличением диэлектриче |
|||
ской |
проницаемости и температуры |
жидкости . |
||||
Д л я чистой |
воды 62= Ю - 4 |
см, а в относительно силь |
||||
ных растворах |
62 |
очень мала, |
поэтому можно |
принимать |
||
б яз бі. |
|
|
|
|
|
|
Пользуясь |
коэффициентом |
молекулярной |
диффузии |
|||
при |
сферической |
форме частиц £>м = 6 |
(/С — п о с т о я н |
|||
ная |
Больцмана; |
а — радиус |
иона; |
ц — динамическая |
вязкость среды) и считая электропроводность двойного слоя равной электропроводности остальной жидкости,
8
д л я толщины двойного слоя можно написать [Л. 13]:
|
|
|
8 = |
] / ^ р - = К Д ^ . |
|
|
|
(3) |
||||
где т~еео/Лю — время |
релаксации |
(постоянная |
времени); |
|||||||||
ко — удельная |
электропроводность |
|
жидкости . |
|
|
|
||||||
Таким |
образом, квадрат толщины диффузного двой |
|||||||||||
ного |
слоя |
оказывается 'пропорциональным произведению |
||||||||||
коэффициента диффузии на время релаксации. |
|
|
||||||||||
Расчеты, проведенные согласно |
(3) |
для |
некоторых |
|||||||||
жидкостей, дают следующие результаты: |
|
|
|
|
||||||||
электролит |
(водный |
раствор КС1) — т ; э л ~ 5 - 1 0 - 8 |
сек, |
|||||||||
6 Э Л ~ ; 0,0Г0 |
мкм; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ж И Д К И Й |
у Г Л е В О Д О р о Д |
( б е Н З И Н ) |
— Т Г б е п з ~ 18 СЄК, |
б б е и з — |
||||||||
— 0,2 |
мм; |
|
|
|
сек, 6 а ц = 0 , 1 2 |
мкм. |
|
|
|
|||
ацетон — T . a4»7 - '10 _ e |
|
|
|
|||||||||
'Из этих данных видно, что д л я |
двух |
резко |
отличных |
|||||||||
по свойствам |
жидкостей — водного |
электролита и |
бензи |
|||||||||
на отношение толщины двойных слоев |
б э л / б б е н з |
составля |
||||||||||
ет приблизительно 1 :20 ООО, причем это |
различие |
в |
зна |
чениях б обусловлено главным образом большим отличи
ем в величине удельной |
электропроводности |
рассмотрен |
||||
ных жидкостей. |
|
|
|
|
|
|
Действительно, |
в |
приведенном |
примере, |
если |
||
Бэл/ббеиз = 80/2 = 40, |
ТО ХобензДоэл « 1 |
О ^ / О . 0 1 3 - Ю 1 0 . |
||||
В Э К П наиболее эффективными |
оказались преобра |
|||||
зующие системы: |
т в е р д а я фаза — диэлектрик, |
ж и д к а я |
||||
фаз а — тщательно |
очищенные полярные |
органические |
жидкости и их смеси, дистиллированная вода и другие,
которые по |
величине электропроводности |
( 1 0 - 4 — |
|
Ю - 7 |
ОМ-І-МГ1) |
можно отнести к ж и д к и м полупроводни |
|
к а м . |
Большое |
число 'экспериментов, проведенных |
с раз |
личными п а р а м и материалов, указывает на прямую связь м е ж д у дипольным моментом органических жидкостей и
электрокинетичеокой эффективностью |
п а р ы 1 . П р и |
этом |
|||||||
чем |
выше степень |
очистки, |
тем |
более |
эффективной |
ока |
|||
з а л а с ь жидкость . |
Используемые |
в Э К П жидкости со |
|||||||
д е р ж а т |
в |
незначительном |
количестве |
примесные |
ионы, |
||||
сами ж е |
не диссоциируют вовсе |
или диссоциируют |
весь |
||||||
ма |
слабо. |
В |
ряде |
случаев |
возможно |
внесение |
ионов |
||
в жидкость |
за |
счет |
диссоциации |
поверхностных молекул |
|||||
твердой |
фазы . |
|
|
|
|
|
|
1 Электрокинетическая эффективность оценена по величине по тенциала протекания или электроосмотическому переносу.