|
 |
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
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 Qo — плотность 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
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
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.