Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Касимзаде М.С. Электрокинетические преобразователи информации

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

9.11 Mб

Скачать

☆

1 / 141 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

М. 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


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,

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

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.

1 / 141 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ