Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

12.71 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2810 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Р а с с м о т р им теперь электрические свойства кристалла . Электри ческая индукция D и напряженность поля <§ являются векторами . Их составляющие по трем взаимно перпендикулярным координат ным осям связаны м е ж д у собой в кристалле аналогично тому, ка к связаны составляющие вектора смещения точки упругого тела при однородной деформации с составляющими радиуса вектора этой точки тела в системе равенств (3.135):

= *tk$k,

(3-142)

где є;/; — составляющие тензора

диэлектрической проницаемости.

Тензор е имеет очень

простой вид: вцг¥=0 при i — k и Bik — 0 при

іфк,

т. е. имеются всего три компонента

диэлектрической проницае

мости

єн, &гг, єзз, которые

показывают,

что только

соответственные

компоненты

векторов

электрической

индукции

напряженности

поля связаны

м е ж д у собой.

П р я м о й пьезоэффект

кристалле

описывался

соотношением

(3.92) для электрической индукции D в некотором

з а р а н е е

задан

ном направлении и механическим н а п р я ж е н и е м

сг т а к ж е в некото

ром

з а д а н н о м

направлении . Если ж е представить механические на

п р я ж е н и я в общем виде

как тензор

с составляющими

Oifc, а

элек

трическую индукцию как вектор, то тогда следует

обобщить

выра

жение

(3.92), записав его так:

D , = - d /

r t

f f £ f t .

(3.143)

Это

равенство

'означает,

что їв общем

случае л ю б а я

из

составляю

щих

тензора

н а п р я ж е н и я

о,ь может

вызвать

поляризацию

вдоль

любой

из координатных

осей и

что

пьезомодуль

представляет

собой тензор третьего р а н г а

с составляющими di i h .

Аналогично это

му обратный пьезоэффект запишется так:

lpq

= -dlpqEi.

(3.144)

Равенства (3.143) д а ю т значения составляющих вектора элект

рической индукции в отсутствие электрического поля.

Д л я получе

ния

полного

значения компонента

вектора D к

правым

частям

(3.143)

следует, очевидно,

добавить

правые

части

равенства

(3.142):

Я і = (вj)f f

—

« а » .

(3.145)

Здесь

символ

( е / ) а

означает, что компоненты

тензора

диэлектри

ческой проницаемости берутся дл я случая отсутствия

механических

напряжений . Система

трех

равенств

(3.145) составляет

обобщенное

в ы р а ж е н и е по отношению к первому из местных уравнений в ска

лярной	форме (3.101)		. Вместо второго ур-ния (3.101)	обобщенное
в ы р а ж е н и е будет		с о д е р ж а т ь в общем случае девять уравнений д л я
девяти	компонент	sp f / :
lPq	= — d ipc, % і +		spq i k aik.	(3.146)

Д в е группы равенств (3.145) и (3.146) представляют собой общую запись местных уравнений пьезопреобразователя в тензор

ной	форме. Пользуясь				упрощенной записью в соответствии с
табл . 3.1 и равенствами (3.141), м о ж н о написать:
	Di	= Ы 0	Ші — d [ n	ст„	\	^ 1 4 7 )
	lm =—din$i		+	SmnoJ
	Эта	тензорная запись системы местных уравнений пьезопреобра
зователя в ф о р м е у в (развернутом виде представится так:
	Єц Шх				—	d\x<3x—dxtfi—di3a3—di4a4—dtbab—dlsaa,
Д >	=	Є 2 2 Шг			— d%i	Сті—dnif3i>—йгз^з—d%tPi—ttjsCFg—d2e°e>
D 3	=			Е з з Шз — Й31		o i — d 3 2 a 2 — d 3 3 a 3 — d s 4 0 4 — d 3 5 a b — d 3 e a e ,

lx = — dxx Шх— u = — di2 Шх ls = — d\3 Шх

£4 = — d\i Шх

—di5 Шх

Ів = — die Шх

&Ъ1%Ч, —	dsxШs +		SxxOi - + - S12C2 +			S13O-3 +			s 1 4 a 4 + s l 5 a 6 + s l e o ' e ,
ДМ § 2 —	й з а ^ з +		S12O1 +	S22CI2 +		S23CT3 +			s 3 4 a 4 - f s 2 6 a 5 - T - S 2 6 0 ' e ,
— d3S3		+	S13O1 +	s 2 s C 2	-T-I.S33O-3 + . s 3 4 c r 4 - f S35Cr6+S36CT6)
#23 Ш>%
<£2 4§2 — d3i%3		+ S14<Jl + S240r2			-f'S3 4 0-3			+	S 4 4CT 4 +S4 5 a 6 + S4eOe,
Й25^о —	^35^3 +		Sis^i +	S25O2 +		s 3 5	a 3	+	s45cT4-f-sS5aB+S5eCTe.
#26^2 —	а"зв£з +		SieOi +	s 2 6 a 2	+	s s e	a 3	+	s 4 G a4+s 5 0 a 6 + S e e O - 6 .

В	этих равенствах опущены индексы а у составляющих є; т и £
у	а т а к ж е учтено общее соотношение симметрии, вследствие

которого dim=dmi; s! m = sm;- Итак, уравнения пьезоэлектрического преобразователя в самом общем виде представляют собой систему из 12 ур-ний (3.144), (3.145) или, в упрощенной записи, из девяти ур-ний (3.147). Система (3.147) показывает, что в зависимости от конкретного вида пьезоэлектрика та или иная компонента d м о ж е т оказаться более подходящей дл я использования в конкретном электроакустическом приборе.

Свойства основных пьезоэлектрических кристаллов

Исследовано большое число кристаллических веществ, обладающих пьезо электрическими свойствами. Отличительным свойством кристаллов является их симметричная форма. Все существующие виды симметрии кристаллических форм поддаются определенной классификации, основанной «а признаках или, как их называют, элементах симметрии. Элементами симметрии являются:

1. Ось симметрии 1, 2, 3, 4 или 6-го порядков. При повороте івокруг оси первого порядка на 360°, второго —на 360° : 2, третьего — н а 360° : 3 .и т. д. фи гура кристалла совмещается сама с собой. Легко усмотреть, что ось первого порядка означает отсутствие симметрии. Оси симметрии обозначаются обычно просто цифрами .1, 2, 3, 4, .6.

.2. Зеркальная ось симметрии^ 1,_2,_3, 4 и 6-го порядков. Этот элемент сим метрии обозначается обычно 1, 2, 3, 4, 6. Кристалл обладает зеркальной осью симметрии, если для совмещения его фигуры с первоначальным положением надо построить зеркальное отражение ее >в плоскости, перпендикулярной к оси, и за-

тем повернуть на 360°: п («=/1, 2, 3, 4 или 6). Зеркальная ось симметрии пер

вого порядка эквивалентна наличию плоскости симметрии у кристалла, а вто рого — центра симметрии. Можно построить 32 группы элементов симметрии, ком

бинируя их так, чтобы оси и плоскости симметрии были либо перпендикулярны,
либо	параллельны друг другу, либо -оси симметрии шли под некоторым углом
друг	к другу. Эти 32 группы равбиваются на 6 систем симметрии: триклинная,

моноклинная ромбическая, тетрагональная, гексагональная, кубическая. Прямо угольная система координат, расположенная определенным условленным образом относительно кристаллической формы, называется главной системой координат и ее оси носят название кристаллографических. Упругие, диэлектрические и пьезо электрические константы, точнее составляющие тензоров упругих, диэлектриче ских и (пьезоэлектрических свойств '(є, s, d), определяются относительно этих

главных осей кристалла.

Наиболее известными пьезокристаллическиші веществами являются: кварц, сегнетова соль, дифосфат аммония, дифосфат калия, сульфат лития, этилендиа-

минтартрат, тартрат калия. Пьезоэлектрическими	свойствами обладают	также
дерево и некоторые жидкие кристаллы. (Приводам	данные составляющих	е, s,
d, р для главнейших пьезоэлектрических кристаллов.

s i i = l , 2 7 - Ю - 9 м/Н si2=0;1535-.10-8 м/Н su=—0,446-il0-e ,

s3 3 =-A956-:10-9 , sv. ='1,978-Ю-9 ,

Кварц

dn=2,3-10-1 2 .м/В

d 1 4 = _ 0 , 6 7 - Ш - 1 2 м/В

єн = 822=4,49,

Єзз = 4,55, р=2,65.

Турмалин


S i i = 0,39-10-»,		d3 i=0,32-il0-1 2 ,		ви=7,1,
5 [ 2 = _0,103-И0-Э ,		rf33= 1,927-Ю"1 2 ,		822 = 7,1,
s3 3 =0j625-.10-»,		d2 2 =—0,3 1 3-10-1 2		833 =6,6
sis=—0,016 - 10 - ',		d,5=3,67-10-»2 ,		p =3,1.
SM=1,&1-IU)-9 ,
sK =0,058-iIO-9 ,
Сернистый цинк (цинковая				обманка)
sn=il,94-)10-».			rfi4=3,09-10-12.
s2 3	= — 7,3-10-°,
sn = 22,9-,10-9,
Сегнетова соль (двойная	кислая калиево-натриевая			соль виннокаменной	кислоты)
s , i = 5 , 1 8 - Ю - 9 ,		s5 5 =32,8-:10-9 ,		гіі4=2,6-10т»,
s i 2 = — 1 , 5 3 - Ю - 9 ,		s3 3=3,34-10-9 ,		rf25=—56.3-10-12,
544=7,98-10-9 ,		5вб=.10,08-і10-9 ,		а!зб=.11,6-.1і0-12,
s2 2=3,49-10-8 ,		s 2 3 = —1,03-10-9, p=:l,77.
S i 3 = —2,lil-10-9 ,
Диэлектрическая постоянная так же, как л				яьезоконстаиты, резко	зависит
от температуры: Єатіп~(250,		ест т о ї » 1600	в интервале —іЮч-25°С.

Выбор среза кристалла при изготовлении пьезоэлементов

П ь е з о э л е м е н т ом называю т пластинку или брусок, вырезанные из кристалла определенным образом относительно кристаллографи ческих осей. В общем случае ребра такого бруска или пластинки могут и не совпадать с направлением кристаллографических осей

д а н н о го кристалла и соответственно плоскости его — с координат ными плоскостями этой системы осей. К а к будет себя вести такой элемент под действием электрического поля, приложенного вдоль какого-либо из его ребер? К а к он будет поляризоваться при опре деленной деформации? И з рассмотрения приведенных выше зна чений є, р, s, d ничего сразу об этом сказать нельзя, если только направления поляризации или деформации (т. е. ребра пьезоэле мента) не совпадают с направлениями составляющих, для которых

эти значения

даны . Д л я

ответа на поставленные

вопросы

необходи

мо перейти

новой системе координат,

совпадающей с направле

ниями ребер и граней пьезоэлемен

та, т. е. надо произвести

поворот

координатной

'системы

найти со

с т а в л я ю щ и е

є,

s по

новым

осям .

Эта о п е р а ц и я — переход к новой си

стеме « о о р д и н а т — представляет со

бой

клаосический

прием

тензорного

исчисления.

П р а в и л а

такого

пере

хода

р а з р а б о т а н ы

и позволяют

ана

литическим путем установить пове

дение

пьезоэлемента

при

любой

ориентации

относительно

главных

осей. Этим способом пользуются ігри

теоретическом

исследовании

вопро

са

расположении

пьезоэлемента

или, как говорят, о выборе

«среза

Рис. 3.20.

'К

определению

на

кристалла»

д л я

получения

опти

правления среза кристалла

мального

(пьезоэффекта.

Ф о р м у л ы

перехода

довольно громоздки,

хотя,

по существу,

не с л о ж н ы . На

примере сегнетовой

соли, без

о б р а щ е

ния к этим общим формулам, проиллюстрируем, как можно пред ставить себе поведение пьезоэлемента, вырезанного не в направле

нии кристаллографических осей.			С о с т а в л я ю щ и е тензора пьезомо -
д у л я д л я сегнетовой соли имеют			вид:
dn	О	О
52 dn	О	О
0	О	О

du О О

Оdu. О

О0 —2dп

Пьезомодуль du превосходит dn во много раз . Поэтому д л я по лучения эффективного пьезоэлемента стремятся использовать мо

дуль	dik.	И з приведенного расположения составляющих пьезомо-
д у л я	видно, что при		приложении	электрического	поля	вдоль осей
xi и	Хг	наибольший	пьезоэффект	проявляется в	виде	деформаций

І4 и

|г,- Эти д е ф о р м а ц и и

согласно данным

табл .

3.1

соответствуют

чистому сдвигу, который

не

всегда удобен

д л я

использования в

преобразователях .

Рассмотрим, какую

д е ф о р м а ц и ю

испытывает

к в а д р а т н а я пластинка

ОАВС

(рис. 3.20) с ребрами единичной дли

ны,

р а с п о л о ж е н н а я

в плоскости Х\Х3 так, что ребро

составляет

угол

ф с осью Хз,

электрическое поле приложено

направлении

Хг. Из геометрических

построений на рисунке можно легко найти:

ОЕ — sin ф,

АЕ =

cos ф,

AD = АЕ tg у = cos ф | 5

OD = [(AE)2+(OD'f]V2

[cos 2 ? +

( s i n ? + £ 5 c o s 9 ) 2

j 1 / : :

» 1 + 1 / 2 І 5 5 І П 2 Ф ,

( § Б « 1 ) .

Тогда продольная д е ф о р м а ц и я отрезка ОЛ, которая обозначена g 3 , д л я новых осей, повернутых относительно Хз на угол ф, составит:

| ; =

OD — OA = OD —

l = — 5 б sin 2 ф.

(3.148)

З д е с ь отброшены

величины

порядка

малости %\ . З а м е н и в

(3.148)

<р на я/2 — ф, получим продольную

д е ф о р м а ц и ю ребра ОС

(вдоль

новой оси х\ ) :

1 [ = -

у І 5 з і п 2 ф .

(3.149)

Наконец, взяв разность углов поворотов или, пользуясь

малостью

углов а, р, разность тангенсов углов поворотов отрезков

OA и ОС,

найдем д е ф о р м а ц и ю

сдвига:

= DA cos ф — С С cos (л/2 — ф) = £5 [cos2 ф— cos2

(я/2 — ф)] =

= £ 5 с о э 2 ф .

(3.150)

Д е ф о р м а ц и и -£р |д и Ъ,'ъ можно записать в виде:

С о п о с т а в л я я

&з=^з2 ^2'.

% — d52

ЇЇі-

£,[ — d\2

эту запись с

(3.149) и

(3.150) и имея в

виду, что | 5 =

= di4<§2,

м о ж е м

записать составляющие

пьезомодулей относитель

но

новых осей х\,

х'3

дл я поля, действующего в направлении

б;

d'2l

j - du sin 2 ф

d'^ =

di4,sm2(p

d'25

— du cos 2 ф

Шг

| 0 ~ ~

О т с ю д а .видно, что «поворот н-а угол ф = 4 5 °

о б р а щ а е т d'^

нуль, а

d'2l

и d'23

делает

по абсолютной величине

максимальными,

равны

ми

du/2.

Следо ват ельн о, пластинка сегнетовой соли, вырезанная под уг лом 45° к кристаллографическим осям Л'ь х3, испытывает чистое растяжение — с ж а т и е при действии поля вдоль оси х%. Это извест ный «срез 45°», весьма часто используемый в пьезопреобразовате -

лях из сегнетовой соли, в	которых необходимы пьезоэлементы, ра
ботающие на р а с т я ж е н и е	— с ж а т и е .
В з а д а ч у разработчиков пьезоматериалов для		преобразователей
обычно входит подробное	исследование тензора	dik и отыскание

на основании общих правил трансформации координат, составляю


щих d'.k , удобных		д л я	практического использования.			П р и	этом
приходится учитывать и			свойства анизотропии		диэлектрической
проницаемости	(тензора		ег л), поскольку чувствительность преобра
зователей-приемников зависит от константы Харкевича						(g),	явля
ющейся частным от деления d./e, а излучателей —					от константы (f)
Мэсоиа, в которую входит и модуль упругости пьезокристалла .							На
конец, кроме задачи		'изучения		.среза, д а ю щ е г о максимальную			чув
ствительность,	есть	еще	з а д а ч а	получения стабильных		преобразо

вателей, чувствительность которых возможно меньше зависит от температуры . Поэтому исследуют т а к ж е зависимости d и є от тем пературы и коэффициенты температурного расширения кристалла с целью отыскания таких срезов, при которых температурная за

висимость чувствительности пьезоэлемеита			или его	резонансной
частоты была бы минимальной .
Искусственные пьезокерамические			материалы
Р а б о т а м и	А. В. Шубникова	и его сотрудников		показано,	что
пьезоэффектом	могут о б л а д а т ь не	только	монокристаллы, но и		по-

ликрпсталлические вещества, если группы кристаллов в таком ве ществе ориентированы определенным образом . Такие вещества по лучили название текстур. И х преимущество перед монокристалли -

ческимн пьезоэлементами состоит в том,	что размеры	текстурных
элементов и их форма могут выбираться	независимо	от р а з м е р о в

кристалликов, составляющих исходный пьезокристаллический про дукт. Н е требуется растить или добывать на горных р а з р а б о т к а х большие дорогостоящие монокристаллы .

Первоначально получили распространение текстуры из сегнето вой соли. В этих структурах ориентация мелких кристалликов до стигалась н а м а з ы в а н и е м расплавленной сегнетовой соли кистью в одном строго определенном направлении . Продолговатые кристал лики соли при отвердевании расплава располагались по направле нию движения волосков кисти.


Скачок в	промышленном		применении		поликристаллических
пьезоэлементов	был	достигнут	после того,		к а к были	изучены ди
электрические	и пьезоэлектрические свойства титана бария						BaTiOj
(Вул, Андреев,	Р ж а н о в , Смоленский) и сходных с ним					материалов,
а т а к ж е р а з р а б о т а н а		технология		получения	путем спекания		из та
ких мелкоизмолотых		материалов		керамикоподобных		изделий.

Т и т а н ат бария в интервале температур — 1 0 ч - + 120°С имеет тет

рагональную структуру кристаллической решетки. Когда	пластинка
из этого м а т е р и а л а после обжига в печи остынет, она	не показы

вает никакого пьезоэффекта . Это происходит вследствие того, что кристаллы титаната бария состоят из целого ряда отдельных облас тей — доменов, в к а ж д о й из которых электрическая ось ячеек крис таллической решетки - ориентирована «по-своему». Это оказывается возможным потому, что в ячейке кристалла может существовать шесть положений атома титана м е ж д у атомами бария и кислорода, расположенными на гранях ячеек, при которых потенциальная

энергия ячейки минимальна . При этом атом титана		оказывается
сдвинутым	к одной из граней ячейки. В к а ж д ы й домен	входит	боль
шое число	ячеек с одинаковой ориентацией и к а ж д ы й	такой	домен

сам по себе представляет собой электрический диполь. О д н а к о в кристалле домены ориентированы беспорядочно, т а к что внешнее поле кристалла отсутствует.

Самое в а ж н о е для пас свойство кристалла титаната бария со стоит в том, что при помещении его в сильное электрическое поле домены начинают ориентироваться относительно поля, их электри ческие оси стремятся расположиться по направлению силовых ли

ний внешнего поля. При температуре около 85°С в поле		напряжен
ностью 24—26 кв/см до 80% всех	доменов ориентируются так, что
их электрические оси повернуты не более чем иа 45° от		направле
ния линий поля. Более того, после снятия поля домены		стремятся
сохранить согласное направление	электрических осей.	Б л а г о д а р я

этому пьезоэффект, который без поляризации можно было бы на блюдать лишь в однородном монокристалле или в отдельном доме не, теперь проявляется в целом куске поляризованного поликри сталлического материала . Керамиковый материал из титаната ба рия обладает большой упругостью и значительной прочностью ана логично фарфору .

Характерной особенностью пьезокерамики является ее очень большая диэлектрическая постоянная. Если электроды, с помощью которых поляризуют пластинку титаната бария, недостаточно плот но прилегают к ней, так что м е ж д у ней и электродом остается очень тонкий слой воздуха, падение потенциала в основном про изойдет в этом тонком слое, а напряженность поля в пластинке бу дет малой. Точно так ж е и у ж е п о л я р и з о в а н н а я пластинка с такими

электродами	будет	весьма	неэффективна	как	преобразователь .
Д л я получения		эффективных пьезокерамических элементов по
сле обжига	их шлифуют и носят серебряные электроды					вжиганием
в печи при высокой температуре, обеспечивая					прочный и плотный
контакт молекул металлического электрода и					молекул	поверхности
керамики . Б ы л о проведено			большое число	поисков с целью созда

ния пьезокерамик с более высокими п а р а м е т р а м и , более широким диапазоном рабочих температур . У чистого титаната бария диапа зон ограничен точками фазовых переходов —10°С и + 1 2 0 ° С , за пределами которых его кристаллическая структура меняется и он

4 - 3

теряет пьезоэлектрические свойства.	Б ы л и найдены твердые		раст
воры, образуемые титанатом бария	с титанатом	кальция и титана-
том св.инца, которые о б л а д а ю т более широким		диапазоном	рабо

чих температур и параметры которых меньше зависят от темпера туры. Д а л е е были получены растворы тптаната бария и кальция с добавкой кобальта, пьезокерамики ииобата бария и свинца, твер

дые растворы	цпроконата свинца и титапата свинца, в том числе
с д о б а в к а м и	тантала, неодима, стронция,	л а н т а н а . Все эти поиски,
приведшие к	современным пьезокерамическим м а т е р и а л а м , имели
целью повысить верхний предел рабочих		температур (что очень

в а ж н о для пьезоэлементов, работающих в преобразователях - дви гателях, так как они испытывают большие электрические и меха нические нагрузки и могут сильно нагреваться при работе), умень шить зависимость параметров с! и є от температуры для получения преобразователей со стабильной чувствительностью, уменьшить де кремент механических колебаний и тангенс угла электрических по терь в керамике, увеличить кпд преобразователей - двигателей .

Приведем данные некоторых пьезокерамик .

		Титанат		бария
	d 3 3	= 0,84-2,0-10"1 0 м/В,		е = 1 1 0 0 ч - 1 8 0 0 ,
	d 3 t	= 0 , 4 4 - 0 , 8 - Ю - 1 0 м/В, £ = 1 , 0 4 - 1 , Ы 0 1 1 н/м2 ,
				Р = 5,34-5,8 г/см3 .
		Титанат		бария—кальция
фазовые п е р е х о д ы — 5 0 , +115,			+ 1 3 0 ° С
	( / 3 3 = 0 , 5 4 - 0 , 7 - Ю - 1 0 ,		є = 6704-1200,
	d3i	= 0,314-0,6- Ю - 1 0 ,		£ = 1 , 0 8 4 - 1 , 1 6 - 1 0 4 ,
				р = 5,14-5,75.
		Титанат		бария—свинца
фазовый	переход + Н 0 ° С (и выше)
	daa = 0,54-0,8 - Ю " 1 0 ,			8 = 3004-600,
	uf3i = 0,134-10,5- Ю - 1 0 ,			£ = 1 , 0 4 - 1 , 2 2 - 1 0 " ,
				о = 4,84-5,4.
		Ниобат		свинца—бария
фазовый	переход 220, + 2 7 0 ° С
	йзз— 1,94-2,0- Ю - 1 0 ,			8=11004-1900,
	d31	= 0,64-1,2 -10-1°,		£ = 0,84-1,0-10",
				р =5,64-6.

ЦТС-19 (Цирконат—титанат свинца со стронцием и ниобием)

ф а з о в ый п е р е х о д е 2 8 5 С С
rfM = 3,6-10-w ,	є = 1 7 6 0 ,
d 3 1 = l , 6 - 1 0 - 1 0 ,	£ = 0,72-101 1 ,
	P = 7,3.
3.12. Э Л Е К Т Р О Х И М И Ч Е С К И Е	П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л И

Это несколько неточное название обратимых электромехани ческих преобразователей, действие которых основано на электроки


нетических и электрофоретических				явлениях в электролитах ..
Д л я	того чтобы	получить	общее представление		о принципах
действия	этих преобразователей,			рассмотрим две	схемы.	П е р в а я
из них	(электрокинетический		преобразователь) представлена				на
рис. 3.21а, в т о р а я		(электрофоретический преобразователь)				—	на

Рис. 3.21. Преобразователь:

а — электрокинетический, б — электрофоретический

/ — платиновые электроды, 2 — полупроницаемая перегородка, 3 — электролит, 4

браны. 5 —сетчатые электроды, 6 — пористый электрод, 7—полярная		жидкость
рис. 3.216. Н а рис. 3.21а схематически	и з о б р а ж е н	замкнутый сосуд,
заполненный электролитом — с л а б ы м	водным раствором йодисто

го калия с небольшой добавкой иода. В сосуд погружены два нейтральных (например, платиновых) электрода . Сосуд разделен полупроницаемой перегородкой. Через эту перегородку могут д и ф фундировать ионы J - , но не могут проникать молекулы J2 . П о л о ж и м , что я начале опыта концентрации ионов їй молекул в обеих половинах сосуда одинаковы и разность потенциалов м е ж д у элек тродами отсутствует. Тогда, если температура по всему сосуду оди накова, то и гидростатическое давление в обеих половинах сосуда одно и то же .


П о д а д и м теперь па электроды небольшую разность								потенциалов
такую, что электролиз соли KaJ еще не идет. Это значит,									что по
тенциал катода по отношению к электролиту не превышает									так на
зываемого			равновесного, при котором		ионы Ка+ вблизи			катода еще
находятся			в равновесии с	раствором	и	не стремятся		терять свой
з а р я д	на	электроде. Если		бы потенциал		стал выше равновесного,
то ноны		К а ^ вступили бы в электрохимическую					реакцию с		выделе
нием	водорода по схеме:
	2 Ка+		- j - 2 ё -> 2 Ка;	2 Ка + 2 Н 3	0 -> Н 2 1 +		2 К а О Н .
Итак,	с о з д а в а е м а я разность потенциалов меньше, чем							необходимо
для нарушения равновесия ионов и образования							новых	химических

соединений. В этом случае единственные возможные процессы на электродах будут такие: па катоде — нейтральные молекулы, диф


фундируя к	катоду,	могут		приобрести отрицательный				з а р я д :
Jo-r2e—>-2J,	из аноде — ионы J могут терять своп					з а р я д и		уходить
в виде нейтральных молекул в раствор: 2 У—2 e->-J2.
Концентрация молекул			J 2	в части /	сосуда будет		повышаться,
а в части / /	понижаться,		так	как эти	молекулы не могут			пройти
через полупроницаемую перегородку. Это, в свою						очередь,		вызовет
появление разности давлений м е ж д у частями /						и	/ / так назы
ваемого осмотического		давления . По д			действием		осмотического

давления появится обратный поток ионов J через перегородку, ко торый скомпенсирует поток этих ионов, вызванный электрическим полем, и установится новое термодинамическое равновесие. Чем вы ше разность потенциалов на электродах, тем выше уравновешиваю щее осмотическое давление . Получаем, таким образом, преобразо вание электрической разности потенциалов в давление .

Если проделать другой опыт: замкнуть внешней цепью элект


роды накоротко и приложить внешнее давление к боковой						стенке
сосуда со стороны I , устроив сосуд так, чтобы боковые					стенки бы
ли подвижны, то электролит		будет	перетекать со стороны /			через
поры перегородки на сторону		// , а	растворенные в нем		молекулы
J2 будут	з а д е р ж и в а т ь с я на стороне		/. К	беспорядочным	скоростям
ионов J	и молекул J2, в ы з ы в а ю щ и м		в	среднем одинаковое		число

зарядов — разрядов в единицу времени на обоих электродах, до бавится избыточный регулярный отток ионов от электрода / и при

ток их к электроду // . Во внешней цепи		пойдет	ток от / к II, кото
рый будет з а р я ж а т ь избыточные молекулы J9,			восстанавливая рав
новесие концентраций	по обе стороны	перегородки.
Схема рис. 3.215,	поясняет принцип	работы электрофоретиче-

ского преобразования . Около поверхности пор пористого электро да, погруженного в полярную жидкость и находящегося под отрица тельным потенциалом, создается дополнительное электрическое по ле, Направленное по касательной к поверхности пор . Отрицатель

но з а р я ж е н н ы е ионы двойного з а р я ж е н н о г о слоя	около пористого
тела под действием касательного поля приходят	в движение вме-
•100

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2810 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ