Elektroakustische Phänomene - Electroacoustic phenomena

Elektroakustischer Phänomene treten auf, wenn Ultraschall pflanzt sich durch ein Fluid enthaltenden Ionen . Die damit verbundene Teilchenbewegung erzeugt elektrische Signale, da Ionen elektrisch geladen sind . Diese Kopplung zwischen Ultraschall und elektrischem Feld wird als elektroakustisches Phänomen bezeichnet. Die Flüssigkeit kann eine einfache Newtonsche Flüssigkeit oder eine komplexe heterogene Dispersion , Emulsion oder sogar ein poröser Körper sein. Abhängig von der Art der Flüssigkeit gibt es verschiedene elektroakustische Effekte.

• Ion Schwingungsstrom (IVI) und das Potenzial, ein elektrisches Signal , das , wenn ein entsteht akustische Welle breitet sich durch eine homogene Flüssigkeit.
• Streaming Vibration Current (SVI) und Potential, ein elektrisches Signal, das entsteht, wenn sich eine Schallwelle durch einen porösen Körper ausbreitet, in dem die Poren mit Flüssigkeit gefüllt sind.
• Kolloidschwingungsstrom (CVI) und Potential, ein elektrisches Signal, das entsteht, wenn sich Ultraschall durch eine heterogene Flüssigkeit wie eine Dispersion oder Emulsion ausbreitet .
• Elektrische Schallamplitude (ESA), die Umkehrung des CVI-Effekts, bei dem ein akustisches Feld entsteht, wenn sich ein elektrisches Feld durch eine heterogene Flüssigkeit ausbreitet .

Ionenschwingungsstrom

Historisch gesehen war der IVI der erste bekannte elektroakustische Effekt. Es wurde von Debye im Jahr 1933 vorhergesagt.

Vibrationsstrom strömen

Der strömende Schwingungsstrom wurde 1948 von Williams experimentell beobachtet. Ein theoretisches Modell wurde etwa 30 Jahre später von Dukhin und anderen entwickelt. Dieser Effekt eröffnet eine weitere Möglichkeit zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der Oberflächen in porösen Körpern. Ein ähnlicher Effekt kann an einer nicht porösen Oberfläche beobachtet werden, wenn der Schall in einem schrägen Winkel reflektiert wird. Die einfallenden und reflektierten Wellen überlagern sich, um eine oszillierende Fluidbewegung in der Ebene der Grenzfläche zu verursachen, wodurch ein Wechselstromstrom mit der Frequenz der Schallwellen erzeugt wird.

Doppelschichtkomprimierung

Die elektrische Doppelschicht kann als Verhalten eines Parallelplattenkondensators mit einer komprimierbaren dielektrischen Füllung angesehen werden. Wenn Schallwellen eine lokale Druckänderung induzieren, ändert sich der Abstand der Platten mit der Frequenz der Anregung, wodurch ein Wechselstromverschiebungsstrom normal zur Grenzfläche erzeugt wird. Aus praktischen Gründen wird dies am leichtesten an einer leitenden Oberfläche beobachtet. Es ist daher möglich, eine in einen leitenden Elektrolyten eingetauchte Elektrode als Mikrofon oder sogar als Lautsprecher zu verwenden, wenn der Effekt umgekehrt angewendet wird.

Kolloidschwingungspotential und Strom

Das Kolloidschwingungspotential misst die Wechselstrompotentialdifferenz, die zwischen zwei identischen entspannten Elektroden erzeugt wird, die in der Dispersion angeordnet sind, wenn diese einem Ultraschallfeld ausgesetzt sind. Wenn sich eine Schallwelle durch eine kolloidale Suspension von Partikeln bewegt, deren Dichte sich von der des umgebenden Mediums unterscheidet, führen Trägheitskräfte, die durch die Vibration der Suspension induziert werden, zu einer Bewegung der geladenen Partikel relativ zur Flüssigkeit, was eine alternierende elektromotorische Kraft verursacht. Die Manifestationen dieser elektromotorischen Kraft können in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen der Impedanz der Aufhängung und der des Messgeräts entweder als Kolloidschwingungspotential oder als Kolloidschwingungsstrom gemessen werden .

Das Kolloidschwingungspotential und der Kolloidstrom wurden zuerst von Hermans und dann unabhängig von Rutgers im Jahr 1938 berichtet. Es wird häufig zur Charakterisierung des ζ-Potentials verschiedener Dispersionen und Emulsionen verwendet. Der Effekt, die Theorie, die experimentelle Verifikation und die vielfältigen Anwendungen werden in dem Buch von Dukhin und Goetz diskutiert.

Elektrische Schallamplitude

Die elektrische Schallamplitude wurde von Cannon Anfang der 1980er Jahre experimentell mit Co-Autoren entdeckt. Es wird auch häufig zur Charakterisierung des ζ-Potentials in Dispersionen und Emulsionen verwendet. Es gibt eine Überprüfung dieser Effekttheorie, experimentelle Verifikation und mehrere von Hunter veröffentlichte Anwendungen.

Theorie von CVI und ESA

In Bezug auf die Theorie von CVI und ESA gab es eine wichtige Beobachtung von O'Brien, der diese gemessenen Parameter mit der dynamischen elektrophoretischen Mobilität μ _d verknüpfte .

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

wo

A ist die Kalibrierungskonstante in Abhängigkeit von der Frequenz, jedoch nicht die Partikeleigenschaften;

ρ _p ist die Teilchendichte,

ρ _m Dichte der Flüssigkeit,

φ ist der Volumenanteil der dispergierten Phase,

Die dynamische elektrophoretische Mobilität ähnelt der elektrophoretischen Mobilität , die in der Elektrophoresetheorie auftritt . Sie sind bei niedrigen Frequenzen und / oder für ausreichend kleine Partikel identisch.

Es gibt verschiedene Theorien zur dynamischen elektrophoretischen Mobilität. Ihre Übersicht finden Sie in Lit. 5. Zwei davon sind die wichtigsten.

Die erste entspricht der Smoluchowski-Grenze. Es ergibt folgenden einfachen Ausdruck für CVI für ausreichend kleine Partikel mit vernachlässigbarer CVI-Frequenzabhängigkeit:

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

wo:

ε ₀ ist die vakuumdielektrische Permittivität,

ε _m ist die dielektrische Permittivität des Fluids;

ζ ist das elektrokinetische Potential

η ist die dynamische Viskosität der Flüssigkeit,

K _s ist die Leitfähigkeit des Systems,

K _m ist die Leitfähigkeit der Flüssigkeit,

ρ _s ist die Dichte des Systems.

Diese bemerkenswert einfache Gleichung hat den gleichen Anwendungsbereich wie die Smoluchowski-Gleichung für die Elektrophorese . Es ist unabhängig von der Form der Partikel, ihrer Konzentration.

Die Gültigkeit dieser Gleichung wird durch die folgenden zwei Anforderungen eingeschränkt.

Erstens gilt dies nur für eine dünne Doppelschicht , wenn die Debye-Länge viel kleiner als der Partikelradius a ist:

${\ displaystyle {\ kappa} a >> 1}$

Zweitens wird der Beitrag der Oberflächenleitfähigkeit vernachlässigt . Dies setzt eine kleine Dukhin-Zahl voraus :

${\ displaystyle Du << 1}$

Die Beschränkung der dünnen Doppelschicht begrenzt die Anwendbarkeit dieser Smoluchowski-Theorie nur auf wässrige Systeme mit ausreichend großen Partikeln und nicht sehr geringer Ionenstärke. Diese Theorie funktioniert nicht gut für Nanokolloide, einschließlich Proteine ​​und Polymere mit geringer Ionenstärke. Es gilt nicht für niedrig- oder unpolare Flüssigkeiten.

Es gibt eine andere Theorie, die für den anderen Extremfall einer dicken Doppelschicht anwendbar ist, wenn

${\ displaystyle {\ kappa} a <1}$

Diese Theorie berücksichtigt die Doppelschichtüberlappung, die bei konzentrierten Systemen mit dicker Doppelschicht unvermeidlich auftritt. Dies ermöglicht die Einführung eines sogenannten "quasi-homogenen" Ansatzes, wenn überlappende diffuse Partikelschichten den gesamten Interpartikelraum bedecken. Die Theorie wird in diesem Extremfall stark vereinfacht, wie Shilov und andere gezeigt haben. Ihre Herleitung sagt voraus, dass die Oberflächenladungsdichte σ ein besserer Parameter als das ζ-Potential zur Charakterisierung elektroakustischer Phänomene in solchen Systemen ist. Ein für kleine Partikel vereinfachter Ausdruck für CVI folgt:

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

Siehe auch

• Grenzflächen- und Kolloidwissenschaft

Verweise