Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Эффект Дорна
Эффект Дорна

Описание

Эффект Дорна — возникновение разности потенциалов между погруженными в жидкость электродами, один из которых помещен у дна сосуда, а другой — в верхней его части. При этом частицы, взвешенные в этой жидкости, перемещаются в одном направлении под действием либо силы тяжести, либо ультразвукового или центробежного поля.
При совпадении направления движения отдельных частиц с направлением их электрических полей возникает макроскопическое электрическое поле Е, направление которого параллельно направлению движения частиц. Между двумя электродами, находящимися в жидкости, можно измерить разность потенциалов.
Этот потенциал называют седиментационным потенциалом, или потенциалом оседания. Суммирование электрических полей частиц нетрудно осуществить, если среднее расстояние между ними lср намного больше размера частицы (l >> R).
Зависимость результата от воздействия имеет следующий вид:
где Ес — потенциал седиментации; R — радиус сферических частиц; с — концентрация частиц; (Q и Qoплотность дисперсной фазы и среды; η — вязкость среды; к — электропроводность дисперсной фазы: ε — диэлектрическая постоянная, ζ — дзета-потенциал.
Условием возникновения эффекта Дорна является "размыв" двойного электрического слоя, существующего на границе между жидкостью и дисперсной фазой. Заряд осаждающихся частиц зависит от природы жидкой фазы, материала частиц и их скорости оседания. Силовое поле приложено к центру дисперсных частиц, что создает их движение в жидкости. Электрическое поле возникает по высоте сосуда и направлено по на-правлению движения частиц.
Эффект Дорна применяется для измерения и регистрации вибрации и ускорения, главным образом, в летательных аппаратах.
Электрокинетический седиментационный прибор (рис. 1) состоит из измерительного отсека 1 и двух вспомогательных отсеков 2 и 3, соединенных капиллярами. Отсек 2, где находится дисперсная фаза 4, используется для заливки и герметизации прибора. В отсеке 1 имеются два сетчатых электрода 5, с которых снимается разность потенциалов. На дне отсека 3 скапливается «отработавшая» фаза 6.
Электрокинетический седиментационный прибор
Рис.1
Эффект Дорна относится к электрокинетическим явлениям. Электрокинетические явления – группа явлений, наблюдаемых в дисперсных системах, мембранах и капиллярах; включает электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания (седиментационный потенциал, или эффект Дорна). Электроосмос – течение жидкости в капиллярах и пористых телах, вызванное внешним электрическим полем; обратное ему электрокинетическое явление – потенциал течения – появление электрической разности потенциалов на концах капилляра или мембраны при протекании жидкости. Электрофорез – движение твердых частиц или капель, взвешенных в электролите, при наложении электрического поля. Обратное электрокинетическому явлению – появление электрической разности потенциалов на границах облака оседающих (седиментирующих) частиц, взвешенных в электролите – эффект Дорна.
 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Используется в научно-технических эффектах

Гидролизный аппарат (Гидролизный аппарат)

 

Используется в областях техники и экономики

1Технологии органических веществ и продуктов
1Технологии неорганических веществ и продуктов
1Технологии и техника обогащения полезных ископаемых
1Молекулярная электроника
1Источники тока
1Электрические машины

 

Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты

1Выпадение коллоидных частиц в осадок после добавления в раствор соли (Высаливание коллоидных частиц)
1Распад вещества на ионы при растворении (Электролитическая диссоциация)
1Спонтанный переход тлеющего разряда в дуговой (Спонтанный переход тлеющего разряда в дуговой)
1Эффект Дорна (Эффект Дорна)
1Гальванические элементы и аккумуляторы (Гальванические элементы и аккумуляторы)
1Перенос массы в жидких металлах, индуцированный электрическим полем (Электродиффузия)
1Диэлектрики. Поведение в электрическом поле. Ориентационная поляризуемость диэлектриков. Вывод для величины ориентационной поляризуемости. (Поляризуемость ориентационная.)
1Поляризация диэлектрика. Дипольный момент. Виды поляризации. Атомная поляризуемость. (Поляризуемость атомная.)
1Поляризация диэлектрика. Дипольный момент. Виды поляризации. Ионная поляризуемость. (Поляризуемость ионная.)

 

Применение эффекта

Электроосмос и электрофорез были открыты Ф. Ф. Рейссом в 1809, который наблюдал вызванное внешнее электрическое полем перемещение жидкости в U-образной трубке, перегороженной в нижней части мембраной из кварцевого песка, и движение глинистых частиц в покоящейся жидкости при наложении электрического поля. Г. Видеман установил (1852), что скорость электроосмотического течения пропорциональна силе тока и это отношение не зависит от площади сечения и толщины мембраны.
В 1859г. Квинке предположил, что должно иметь место явление, обратное электроосмосу, и наблюдал возникновение потенциала течения на мембранах различной природы, а в 1880 Э. Дорн обнаружил возникновение разности потенциалов в трубке, заполненной водой, при центрифугировании в ней суспензии кварца. Различные аспекты теории электрокинетических явлений были предложены Г. Гельмгольцем (1879), затем М. Смолуховским (1906) для случая протяженного ДЭС. Именно Смолуховский вывел формулу для расчета скорости электрофореза и дал количественную теорию седиментационного потенциала. Ему же удалось выяснить сущность отличия термодинамического ψ-потенциала от электрокинетического ζ-потенциала. В разное время были предложены теоретические расчеты скорости электрофореза для частиц, размеры которых меньше толщины ДЭС (Э. Хюккель, 1924), для проводящих частиц произвольного размера (Д. Генри, 1931), с учетом поляризации ДЭС внеш. полем (М. Овербек, 1943). Применение методов термодинамики неравновесных явлений к изучению электрокинетических явлений развили Б. В. Дерягин и С. С. Духин (1966).
Электроосмос используют для обезвоживания пористых тел – при осушке стен зданий, сыпучих материалов и т. п., а также для пропитки материалов. Все шире применяют электроосмотическое фильтрование, сочетающее фильтрование под действием приложенного давления и электроосмотический перенос жидкости в электрическое поле. Использование электрофореза связано с нанесением покрытий на детали сложной конфигурации, для покрытия катодов электроламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т. п. Этот метод применяется также для фракционирования полимеров, минеральных дисперсий, для извлечения белков, нуклеиновых кислот. Лекарственный электрофорез – метод введения в организм через кожу или слизистые оболочки различных лекарственных средств. Эффект возникновения потенциала течения используется для преобразования механической энергии в электрическую в датчиках давления.
 

Реализации эффекта

Основную роль в возникновении электрокинетического явления играет двойной электрический слой (ДЭС), формирующийся у поверхности раздела фаз. Внеш. электрическое поле, направленное вдоль границы раздела фаз, вызывает смещение одного из ионных слоев, образующих ДЭС, по отношению к другому, что приводит к относительному перемещению фаз, т. е. к электроосмосу или электрофорезу. Аналогичным образом при относительном движении фаз, вызываемом механическими силами, происходит перемещение ионных слоев ДЭС, что приводит к пространств. разделению зарядов (поляризации) в направлении движения и к перепаду электрического потенциала (потенциал течения, потенциал оседания). Рассмотрим, например, электроосмотическое скольжение электролита в капилляре или порах мембраны. Примем для определенности, что на поверхности адсорбированы отрицательные ионы, которые закреплены неподвижно, а положит. ионы формируют диффузную часть ДЭС. Внешнее поле Е направлено вдоль поверхности. Электростатическая сила, действующая на любой произвольный элемент диффузной части ДЭС, вызывает движение этого элемента вдоль поверхности. Поскольку плотность заряда в диффузной части ДЭС Ф(х) меняется в зависимости от расстояния до поверхности х (рисунок 1), различные слои жидкого электролита движутся с разными скоростями. Стационарное состояние (неизменность во времени скорости течения) будет достигнуто, когда действующая на произвольный слой жидкости электростатическая сила скомпенсируется силами вязкого сопротивления, возникающими из-за различия скоростей движения слоев жидкости, находящихся на разном удалении от поверхности. Уравнения гидродинамики, описывающие движение жидкости при постоянных вязкости жидкости η и ее диэлектрической проницаемостиε могут быть решены точно, результатом решения является распределение скорости течения:

Здесь ξ − значение электрического потенциала на расстоянии δот поверхности, где скорость течения жидкости обращается в нуль.
Распределение потенциала в двойном электрическом слое, где х - расстояние от поверхности

Рис 1

На больших расстояниях от поверхности Ф(х) -0 и скорость течения вне пределов диффузной части ДЭС оказывается постоянной:

Эта постоянная величина называется скоростью электроосмотического скольжения. Такое название было введено потому, что для толщин ДЭС, много меньших характерных размеров капилляров с электролитом или твердых частиц дисперсной фазы, течение выглядит как скольжение жидкости вдоль твердой поверхности со скоростью иs. Параметр ξ наз. дзета-потенциалом (ξ-потенциалом), является основной характеристикой электрокинетического явления. В реальных системах вязкость и диэлектрическая проницаемость жидкости зависят от расстояния до твердой поверхности, однако и в этих случаях скорость электроосмотического скольжения также можно представить в виде выражения (2), но интерпретация параметра ξусложняется, поскольку он несет в себе информацию не только о распределении электростатического потенциала в диффузной части ДЭС, но и об особенностях структуры и реологического поведения жидкости в граничных слоях. Несмотря на сложность интерпретации ξ -потенциала, он является одной из важнейших характеристик жидких коллоидных систем. Его значение и характер изменения при варьировании параметров электролита, адсорбции на поверхности различных веществ и т. п. позволяет судить о структуре граничных слоев, особенностях взаимодействия компонентов раствора с поверхностью, заряде поверхности и т.д. Кроме того, выражение (1) для скорости электроосмотического скольжения справедливо для капилляров произвольной геометрии при условии, что толщина ДЭС мала в сравнении с радиусом капилляра. В капиллярнопористых телах, мембранах, горных породах, почвах и др. связнодисперсных системах, характеризующихся твердым каркасом и системой открытых пор, заполненных раствором электролита, граничные слои жидкости с измененными свойствами составляют значительную долю от объемной фазы. В этих условиях электрокинетические явления тесно связано с адсорбцией ионов, для отражения этой связи часто пользуются термином "электроповерхностные явления".
Электроповерхностные явления – обратное электроосмосу, − возникновение потенциала течения – удобно рассмотреть на примере проницаемой мембраны, разделяющей резервуары с электролитом. При наложении перепада давления Δp и течения жидкости под действием этого перепада с расходом V появляется электрический ток через мембрану. Природа этого тока – увлечение ионов подвижной части ДЭС. Поскольку в диффузной части ДЭС имеется избыток ионов одного знака, возникает конвективный перенос заряда по порам мембраны, т. е. через мембрану течет ток. Если к резервуарам, разделенным мембраной, не подводятся электрические заряды, то по одну сторону мембраны будут накапливаться положит, заряды, а по другую – отрицательные. Накопление зарядов в резервуарах приводит к появлению разности потенциалов между ними и протеканию электрического тока I во всем объеме электролита в порах мембраны; направление тока противоположно конвективному переносу зарядов. Накопление зарядов в резервуарах и увеличение разности потенциалов между ними будет происходить до тех пор, пока не произойдет полной компенсации конвективного тока. Этому стационарному состоянию отвечает разность потенциалов Δφs которая называется потенциалом течения. Электроосмос и электрический ток через мембрану (возникновение потенциала течения) – перекрестные явления, связанные феноменологическими уравнениями в рамках термодинамики необратимых процессов. Расход V и ток I связаны с перепадом давления и электростатическим потенциаломΔφ на торцах мембраны уравнениями:
 

где кинетические коэффициенты L11, L12, L2l и L22 характеризуют соответствующую гидродинамическую проницаемость мембраны, скорость электроосмотического течения, ток течения и удельная электропроводность электролита в мембране. Кинетические коэффициенты удовлетворяют соотношению Онсагера: L12 = L2l . Уравнения (3) и соотношения Онсагера устанавливают простую связь между электроосмосом и потенциалом течения:

Отношение  носит название электроосмотического переноса. Оно является одной из основных характеристик разделительных мембран. В случае тонких ДЭС это отношение может быть легко рассчитано для мембран с произвольной геометрией пор. На основе подобия распределений электрических полей и скоростей электроосмотического течения установлено след. соотношение:

Где x – удельная электрическая проводимость электролита. Электрофоретическое движение частиц в электролите имеет родственную электроосмосу природу: внешнее электрическое поле увлекает ионы подвижной части ДЭС, заставляя слои жидкости, граничащие с частицами, перемещаться относительно поверхности частиц. Однако в силу массивности объема жидкости и малости взвешенных частиц эти перемещения сводятся в отсутствие внеш. сил к движению частицы в покоящейся жидкости. Для непроводящих частиц с плоской поверхностью в системах с тонкой диффузной частью ДЭС скорость электрофореза совпадает со скоростью электроосмотического скольжения, взятой с обратным знаком. Для проводящих сферических частиц скорость электрофореза может быть рассчитана по уравнению:

Где x’ − удельная электрическая проводимость частицы. В этом уравнении учитываются особенности искажения силовых линий электростатического поля в окрестности проводящей частицы. С увеличением толщины диффузной части ДЭС скорость электрофореза начинает зависеть от отношения дебаевского радиуса к диаметру частицы. В общем случае эта зависимость имеет довольно сложный характер. Эффект Дорна связан с конвективным переносом ионов диффузной части ДЭС при движении частицы в электролите. Конвективные потоки ионов поляризуют двойной слой, и частицы в целом приобретают дипольный момент. При этом силовые линии электрического поля выходят за пределы двойного слоя. При движении в электролите ансамбля частиц с дипольными моментами, имеющими одну и ту же ориентацию, порождаемые этими моментами электрического поля складываются, и в системе возникает однородное электрического поле, направленное параллельно (или антипараллельно) скорости движения частиц (группу движущихся с одинаковой скоростью частиц можно рассматривать как своеобразную мембрану, сквозь которую протекает электролит). Если частицы движутся в пространстве между двумя электродами, то на последних возникает разность потенциалов, которая может быть измерена. В частном случае осаждения ансамбля частиц под действием сил гравитации эта разность потенциалов наз. потенциалом оседания. Электрофорез и эффект Дорна могут быть описаны парой феноменологических уравнений неравновесной термодинамики с кинетическим коэффициентом l11, l12, l21 и l22:

где v – скорость движения частицы; F – действующая на нее сила; Е – напряженность внешнего электрического поля; М – индуцированный на частице дипольный момент. Кинетический коэффициент, определяющие скорость электрофореза и дипольный момент в эффекте Дорна, удовлетворяют соотношению Онсагера:
l12 =l21.
 

Литература

1. Духин С. С., Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем, К., 1975;

2. Духин С. С., Дерягин Б. В., Электрофорез, М., 1976

3. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина