Elektroakustiska fenomen

Elektroakustiska fenomen uppstår när ultraljud fortplantar sig genom en vätska som innehåller joner . Den tillhörande partikelrörelsen genererar elektriska signaler eftersom joner har elektrisk laddning . Denna koppling mellan ultraljud och elektriskt fält kallas elektroakustiska fenomen. Vätskan kan vara en enkel Newtonsk vätska , eller komplex heterogen dispersion , emulsion eller till och med en porös kropp. Det finns flera olika elektroakustiska effekter beroende på vätskans natur.

• Jonvibrationsström (IVI) och potential, en elektrisk signal som uppstår när en akustisk våg fortplantar sig genom en homogen vätska.
• Strömmande vibrationsström (SVI) och potential, en elektrisk signal som uppstår när en akustisk våg fortplantar sig genom en porös kropp där porerna är fyllda med vätska.
• Kolloid vibrationsström (CVI) och potential, en elektrisk signal som uppstår när ultraljud fortplantar sig genom en heterogen vätska, såsom en dispersion eller emulsion .
• Elektrisk ljudamplitud (ESA), inversen av CVI-effekten, där ett akustiskt fält uppstår när ett elektriskt fält fortplantar sig genom en heterogen vätska.

Jonvibrationsström

Huvudartikel: Jonvibrationsström

Historiskt sett var IVI den första kända elektroakustiska effekten. Det förutspåddes av Debye 1933.

Strömmande vibrationsström

Huvudartikel: Strömmande vibrationsström

Den strömmande vibrationsströmmen observerades experimentellt 1948 av Williams. En teoretisk modell utvecklades cirka 30 år senare av Dukhin och andra. Denna effekt öppnar ytterligare en möjlighet att karakterisera de elektriska egenskaperna hos ytorna i porösa kroppar. En liknande effekt kan observeras på en icke-porös yta, när ljud studsar av i en sned vinkel. De infallande och reflekterade vågorna överlagras för att orsaka oscillerande vätskerörelser i gränssnittets plan, och genererar därigenom en AC-strömström vid ljudvågornas frekvens.

Dubbelskiktskompression

Det elektriska dubbelskiktet kan betraktas som att det beter sig som en parallellplattkondensator med en komprimerbar dielektrisk fyllning. När ljudvågor inducerar en lokal tryckvariation, varierar avståndet mellan plattorna vid exciteringsfrekvensen, vilket genererar en AC-förskjutningsström vinkelrät mot gränssnittet. Av praktiska skäl observeras detta lättast vid en ledande yta. Det är därför möjligt att använda en elektrod nedsänkt i en ledande elektrolyt som en mikrofon, eller faktiskt som en högtalare när effekten appliceras omvänt.

Kolloid vibrationspotential och ström

Huvudartikel: Kolloid vibrationsström

Kolloidvibrationspotential mäter AC-potentialskillnaden som genereras mellan två identiska avslappnade elektroder, placerade i dispersionen, om den senare utsätts för ett ultraljudsfält. När en ljudvåg färdas genom en kolloidal suspension av partiklar vars densitet skiljer sig från det omgivande mediet, ger tröghetskrafter inducerade av suspensionens vibration upphov till en rörelse av de laddade partiklarna i förhållande till vätskan, vilket orsakar en alternerande elektromotorisk kraft. Manifestationerna av denna elektromotoriska kraft kan mätas, beroende på förhållandet mellan upphängningens impedans och mätinstrumentets impedans, antingen som kolloid vibrationspotential eller som kolloid vibrationsström .

Kolloid vibrationspotential och ström rapporterades först av Hermans och sedan oberoende av Rutgers 1938. Det används ofta för att karakterisera ζ-potentialen hos olika dispersioner och emulsioner. Effekten, teorin, experimentell verifiering och flera tillämpningar diskuteras i boken av Dukhin och Goetz.

Elektrisk ljudamplitud

Huvudartikel: Elektrisk ljudamplitud

Elektrisk ljudamplitud upptäcktes experimentellt av Cannon med medförfattare i början av 1980-talet. Det används också i stor utsträckning för att karakterisera ζ-potential i dispersioner och emulsioner. Det finns en genomgång av denna effektteori, experimentell verifiering och flera applikationer publicerade av Hunter.

Teori om CVI och ESA

När det gäller teorin om CVI och ESA, gjordes en viktig observation av O'Brien, som kopplade dessa uppmätta parametrar med _dynamisk elektroforetisk mobilitet μd .

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

var

A är kalibreringskonstant, beroende på frekvens, men inte partikelegenskaper;

ρ _p är partikeldensitet,

ρ _m densitet av vätskan,

φ är volymfraktion av dispergerad fas,

Dynamisk elektroforetisk rörlighet liknar elektroforetisk rörlighet som förekommer i elektroforeteorin . De är identiska vid låga frekvenser och/eller för tillräckligt små partiklar.

Det finns flera teorier om den dynamiska elektroforetiska rörligheten. Deras översikt ges i Ref.5. Två av dem är de viktigaste.

Den första motsvarar Smoluchowski-gränsen. Det ger följande enkla uttryck för CVI för tillräckligt små partiklar med försumbart CVI-frekvensberoende:

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

var:

₀ ε är vakuumdielektrisk permittivitet,

εm _är fluiddielektrisk permittivitet,

ζ är elektrokinetisk potential

η är vätskans dynamiska viskositet,

_densiteten Ks är systemets ledningsförmåga,

_. Km är vätskans ledningsförmåga,

ρ _{s är} hos systemet

Denna anmärkningsvärt enkla ekvation har samma breda tillämpningsområde som Smoluchowskis ekvation för elektrofores . Det är oberoende av formen på partiklarna, deras koncentration.

Giltigheten av denna ekvation är begränsad med följande två krav.

För det första är det endast giltigt för ett tunt dubbelskikt , när Debye-längden är mycket mindre än partikelns radie a:

${\kappa }a>>1$

För det andra försummar den bidraget från ytkonduktiviteten . Detta förutsätter ett litet Dukhin-tal :

$Du<<1$

Begränsning av det tunna dubbelskiktet begränsar tillämpbarheten av denna teori av Smoluchowski-typ endast på vattenhaltiga system med tillräckligt stora partiklar och inte särskilt låg jonstyrka. Denna teori fungerar inte bra för nanokolloider, inklusive proteiner och polymerer med låg jonstyrka. Den är inte giltig för låg- eller opolära vätskor.

Det finns en annan teori som är tillämplig för det andra extremfallet med ett tjockt dubbelskikt, när

${\kappa }a<1$

Denna teori tar hänsyn till dubbelskiktsöverlappningen som oundvikligen uppstår för koncentrerade system med tjockt dubbelskikt. Detta tillåter introduktion av så kallade "kvasihomogena" tillvägagångssätt, när överlappande diffusa lager av partiklar täcker hela utrymmet mellan partiklarna. Teorin blir mycket förenklad i detta extrema fall, vilket Shilov och andra visat. Deras härledning förutspår att ytladdningstätheten σ är en bättre parameter än ζ-potential för att karakterisera elektroakustiska fenomen i sådana system. Ett uttryck för CVI förenklat för små partiklar följer:

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

Se även

• Gränssnitt och kolloidvetenskap