Электроакустические явления

Электроакустические явления возникают при распространении ультразвука в жидкости, содержащей ионы . Связанное с этим движение частицы генерирует электрические сигналы, поскольку ионы имеют электрический заряд . Эта связь между ультразвуком и электрическим полем называется электроакустическим явлением. Жидкость может представлять собой простую ньютоновскую жидкость или сложную гетерогенную дисперсию , эмульсию или даже пористое тело. Существует несколько различных электроакустических эффектов в зависимости от природы жидкости.

• Ионный вибрационный ток (ИВИ) и потенциал — электрический сигнал, возникающий при распространении акустической волны в однородной жидкости.
• Потоковый вибрационный ток (СВИ) и потенциал — электрический сигнал, возникающий при распространении акустической волны через пористое тело, поры которого заполнены жидкостью.
• Коллоидный вибрационный ток (КВН) и потенциал — электрический сигнал, возникающий при распространении ультразвука через гетерогенную жидкость, например дисперсию или эмульсию.
• Электрическая звуковая амплитуда (ESA), эффект, обратный эффекту CVI, при котором акустическое поле возникает, когда электрическое поле распространяется через неоднородную жидкость.

Ионный

Основная статья: Ионный вибрационный ток

Исторически IVI был первым известным электроакустическим эффектом. Это было предсказано Дебаем в 1933 году.

Потоковая вибрация

Основная статья: Потоковая вибрация тока

Текущий вибрационный ток был экспериментально обнаружен в 1948 году Уильямсом. Теоретическая модель была разработана примерно 30 лет спустя Духиным и другими. Этот эффект открывает еще одну возможность для характеристики электрических свойств поверхностей пористых тел. Аналогичный эффект можно наблюдать и на непористой поверхности, когда звук отражается под косым углом. Падающие и отраженные волны накладываются друг на друга, вызывая колебательное движение жидкости в плоскости границы раздела, тем самым генерируя поток переменного тока на частоте звуковых волн.

Двухслойное сжатие

Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с параллельными пластинами и сжимаемым диэлектрическим заполнением. Когда звуковые волны вызывают локальное изменение давления, расстояние между пластинами меняется в зависимости от частоты возбуждения, генерируя переменный ток смещения, нормальный к границе раздела. По практическим соображениям это легче всего наблюдать на проводящей поверхности. Поэтому можно использовать электрод, погруженный в проводящий электролит, в качестве микрофона или даже в качестве громкоговорителя, когда эффект применяется в обратном направлении.

вибрационный потенциал

Основная статья: Коллоидный вибрационный ток

Коллоидный вибрационный потенциал измеряет разность потенциалов переменного тока, возникающую между двумя одинаковыми расслабленными электродами, помещенными в дисперсию, если последний подвергается воздействию ультразвукового поля. Когда звуковая волна проходит через коллоидную суспензию частиц, плотность которой отличается от плотности окружающей среды, силы инерции, вызванные вибрацией суспензии, вызывают движение заряженных частиц относительно жидкости, вызывая знакопеременную электродвижущую силу. Проявления этой электродвижущей силы можно измерить, в зависимости от соотношения импеданса подвески и измерительного прибора, либо как потенциал коллоидной вибрации, либо как ток коллоидной вибрации .

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

Электрическая

Основная статья: Амплитуда электрического звука

Амплитуда электрического звука была экспериментально обнаружена Кэнноном с соавторами в начале 1980-х годов. Он также широко используется для характеристики ζ-потенциала в дисперсиях и эмульсиях. Хантер опубликовал обзор этой теории эффекта, экспериментальную проверку и многочисленные приложения.

Теория

Что касается теории CVI и ESA, О'Брайен сделал важное наблюдение: которые связали эти измеренные параметры с динамической электрофоретической подвижностью μ _d .

$\ CVI(ESA)=A\phi \mu _{d}{\frac {\rho _{p}-\rho _{m}}{\rho _{m}}}$

где

A – калибровочная константа, зависящая от частоты, а не от свойств частиц;

ρ _p – плотность частиц,

ρ _m плотность жидкости,

φ – объемная доля дисперсной фазы,

Динамическая электрофоретическая подвижность аналогична электрофоретической подвижности , которая появляется в электрофореза теории . Они идентичны на низких частотах и/или для достаточно мелких частиц.

Существует несколько теорий динамической электрофоретической подвижности. Их обзор дан в ссылке 5. Два из них являются наиболее важными.

Первый соответствует пределу Смолуховского. Это дает следующее простое выражение для CVI для достаточно малых частиц с незначительной частотной зависимостью CVI:

$\ CVI(ESA)=A\phi {\frac {\varepsilon _{0}\varepsilon _{m}\zeta \mathrm {K} _{s}}{\eta \mathrm {K} _{m}}}{\frac {\rho _{p}-\rho _{s}}{\rho _{s}}}$

где:

ε ₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε _m — диэлектрическая проницаемость жидкости,

ζ – электрокинетический потенциал

η – динамическая вязкость жидкости,

K _s – проводимость системы,

К _м – проводимость жидкости,

ρ _s – плотность системы.

Это удивительно простое уравнение имеет такую ​​же широкую область применения, как и уравнение Смолуховского для электрофореза. Он не зависит от формы частиц, их концентрации.

Справедливость этого уравнения ограничена следующими двумя требованиями.

Во-первых, это справедливо только для тонкого двойного слоя , когда дебаевская длина много меньше радиуса частицы a:

${\kappa }a>>1$

Во-вторых, он пренебрегает вкладом поверхностной проводимости . Это предполагает небольшое число Духина :

$Du<<1$

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 недействительно для низко- или неполярных жидкостей.

Существует еще одна теория, применимая для другого крайнего случая толстого двойного слоя, когда

${\kappa }a<1$

Эта теория учитывает перекрытие двойного слоя, которое неизбежно возникает для концентрированных систем с толстым двойным слоем. Это позволяет внедрить так называемый «квазигомогенный» подход, когда перекрывающиеся диффузные слои частиц покрывают все межчастичное пространство. В этом крайнем случае теория значительно упрощается, как показали Шилов и другие. Их вывод предсказывает, что плотность поверхностного заряда σ является лучшим параметром, чем ζ-потенциал, для характеристики электроакустических явлений в таких системах. Выражение для CVI, упрощенное для мелких частиц, выглядит следующим образом:

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

См. также

• Интерфейс и коллоидная наука