Глоссарий по физике

Электрокинетйческие явления

Электрокинетйческие явления - совокупность явлений, происходящих в системах, содержащих капилляры или мембраны, размещённые в электролите, при наложении электрич. поля, и обратных им эффектов. К Э. я. относятся: э л е к т р о о с м о с - течение жидкости в капиллярах и пористых телах под действием внеш. электрич. поля; появление электрич. разности потенциалов на торцах капилляра или мембраны при течении через них жидкости (п о т е н ц и а л т е ч е н и я); э л е к т р о ф ор е з- движение твёрдых частиц или капель, взвешенных в электролите, при наложении электрич. поля; возникновение разности потенциалов при оседании (седиментации) частиц, взвешенных в электролите (э ф ф е к т Д о р н а).

Историческая справка. Электроосмос и электрофорез открыты в 1809 Ф. Ф. Рейссом (F. F. Reuss), к-рый наблюдал вызванное электрич. полем перемещение жидкости в U-образной трубке, перегороженной в ниж. части мембраной из кварц. песка, и движение глинистых частиц в покоящейся жидкости при наложении электрич. поля. В 1852 Г. Видеман (G. Wiedemann) установил пропорциональность скорости осмотич. течения силе тока и др. зависимости Э. я. В 1959 Г. Квинке (G. Quincke) наблюдал возникновение потенциала течения на мембранах разл. природы, а в 1880 Э. Дорн (Е. Dorn) обнаружил возникновение разности потенциалов в трубке, заполненной водой, при центрифугировании в ней суспензии кварца. Первую теорию Э. я. предложил Г. Гельмгольц (Н. Helmholtz, 1879), затем её развивали М. Смолуховский (М. Smoluchowski, 1906), Д. Генри (D. Henry, 1931) и др. Рассмотрение Э. я. в рамках термодинамики неравновесных процессов принадлежит (1950, 1952) С. Р. де Грооту (S. R. de Groot), П. Мазу-ру (P. Mazur) и Я. Овербеку (J. Т. J. Overbeck).

Осн. роль в Э. я. играют двойной электрический слой (ДЭС), формирующийся на границе раздела фаз, и его поляризация. Внеш. электрич. поле, направленное вдоль границы раздела фаз, смещает один из ионных слоев ДЭС по отношению к другому. Это приводит к относит. перемещению фаз - к электроосмосу и электрофорезу. При относит. движении фаз, вызываемом внеш. механич. воздействием, происходит перемещение ионных слоев ДЭС - пространственное разделение зарядов, т. е. возникает разность потенциалов.

Электроосмос. Рассмотрим, напр., электроосмотич. скольжение электролита в капилляре или порах мембраны. Примем для определённости, что на поверхности капилляра адсорбированы отрицат. ионы, к-рые закреплены неподвижно, а положит. ионы формируют диффузную, подвижную часть ДЭС. Внеш. поле Е направлено вдоль поверхности капилляра. Произвольный элемент диффузной части ДЭС под действием поля Е движется вдоль поверхности капилляра. Плотность заряда в диффузной части ДЭС зависит от расстояния до поверхности х, и разл. слои жидкости движутся с разл. скоростями и(х), следовательно, для них различна и сила вязкого сопротивления движению. Стационарное течение устанавливается при компенсации электростатической и вязкой сил. Решение ур-ний гидродинамики, описывающее распределение скорости u(х) при постоянных вязкости h жидкости и её диэлектрич. проницаемости e, имеет вид:

Здесь Ф(х) - распределение электрич. потенциала в диффузной части ДЭС, z - его значение на нек-ром расстоянии d от поверхности (рис.), где скорость течения жидкости обращается в нуль (т. н. плоскость скольжения).

Распределение потенциала Ф(х)в двойном электрическом слое; х - расстояние от поверхности.

На больших расстояниях от поверхности Ф(х)0 и скорость течения за пределами диффузной части ДЭС постоянна (т. н. скорость электроосмотич. скольжения):

Параметр z (дзета-потенциал, z-потенциал)- осн. характеристика Э. я. В реальных системах интерпретация параметра z усложняется, поскольку он зависит от распределения электростатич. потенциала в диффузной части ДЭС и особенностей структуры и реологич. поведения жидкости в граничных слоях. Значение z и его изменение при варьировании параметров электролита, адсорбции на поверхности разл. веществ и т. п. позволяют судить об изменении структуры граничных слоев, характере взаимодействия компонентов раствора с поверхностью, изменении состояния поверхности и т. д. Выражение (1) справедливо для капилляров произвольной геометрии при условии, что толщина ДЭС мала в сравнении с радиусом капилляра.

Потенциал течения. Возникновение потенциала течения рассмотрим на примере проницаемой мембраны, разделяющей резервуары с электролитом, при наличии перепада давления и, следовательно, течения электролита через мембрану. Часть ионов одного знака диффузной части ДЭС увлекается течением жидкости, что приводит к появлению разности потенциалов между резервуарами и вызывает появление электрич. тока в направлении, противоположном конвективному переносу заряда. Разность потенциалов, установившаяся при компенсации этих токов, наз. потенциалом течения.

Электроосмос и возникновение потенциала течения описываются ур-ниями термодинамики неравновесных процессов. Объём жидкости, проходящий через мембрану в единицу времени, V, сила тока I, перепад давлений Dр и потенциал на торцах мембраны Dj связаны ур-ниями

где кинетич. коэф. L₁₁, L₁₂, L₂₁ и L₂₂ характеризуют соответственно гидродинамич. проницаемость мембраны, скорость осмотич. течения, ток течения и электропроводность электролита. Кинетические коэф. удовлетворяют соотношениям Онсагера L₁₂ = L₂₁ (см. Онсагера теорема).

Ур-ния (3) и соотношения Онсагера позволяют установить связь между электроосмосом и потенциалом течения:

Отношение (V/I)_Dp=0 наз. электроосмотич. переносом и является одной из осн. характеристик разделительных мембран. В случае тонких ДЭС и мембран с произвольной геометрией пор этот параметр может быть рассчитан с учётом подобия распределений электрич. полей и скоростей электроосмотич. течения:

где -уд. электропроводность электролита.

Электрофорез. Движение макроскопич. частиц при электрофорезе в электролите имеет родственную электроосмосу природу: внеш. электрич. поле увлекает ионы подвижной части ДЭС, что приводит к движению электролита относительно взвешенных в нём макрочастиц. В отсутствие внеш. сил можно считать, что движутся взвешенные частицы относительно покоящегося электролита. Если макроскопич. частица-диэлектрик, то в системах с тонкой диффузной частью ДЭС скорость электрофореза совпадает со скоростью электроосмотич. скольжения (с обратным знаком). Для проводящих частиц скорость электрофореза

где -уд. электропроводность частицы. Ур-ние (6) учитывает особенности искажения силовых линий вблизи частицы. С увеличением толщины диффузной части ДЭС скорость электрофореза начинает сложным образом зависеть от отношения дебаевского радиуса в электролите к диаметру частицы.

Эффект Дорна связан с конвективным переносом ионов диффузной части ДЭС при движении частицы в электролите. Конвективные потоки ионов поляризуют ДЭС, и частицы в целом приобретают дипольный момент, при этом силовые линии выходят за пределы ДЭС. При движении в электролите ансамбля частиц с дипольными моментами, имеющими одну ориентацию, порождаемые ими поля складываются, в системе возникает однородное электрич. поле, направленное параллельно (или антипараллельно) скорости движения частиц. Группу движущихся с одинаковой скоростью частиц можно рассматривать как своеобразную мембрану, сквозь к-рую протекает электролит. Если частицы движутся между электродами, то на них появляется разность потенциалов.

Электрофорез и эффект Дорна могут быть описаны фе-номенологич. ур-ниями неравновесной термодинамики:

где F-сила, действующая на частицу, М-её индуцированный дипольный момент. Кинетические коэф. l₁₂, l₂₁, определяющие скорость электрофореза и дипольный момент в эффекте Дорна, удовлетворяют соотношению Он-сагера: l₁₂=l₂₁.

Применение. Электроосмос используют для обезвоживания пористых тел (осушка стен, сыпучих материалов и т. п.), а также для пропитки материалов. Наиб. применение электрофореза - нанесение покрытий на детали сложной конфигурации, катоды электроламп, полупроводниковые детали, нагреватели и т. п. Его используют также для фракционирования полимеров, минеральных дисперсных смесей, извлечения белков, нуклеиновых кислот, а также в медицине для введения в организм через кожу или слизистые оболочки лекарственных средств. Возникновение потенциала течения используют в датчиках давления для преобразования механич. энергии в электрическую.

Литература по

1. Наука о коллоидах, под ред. Г. Кройта, пер. с англ., т. 1, М., 1955; Духин С. С, Дерягин Б. В., Электрофорез, М., 1976; Ньюмен Дж., Электрохимические системы, пер. с англ., М., 1977.
   

   В. И. Ролдугин.
   

   к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  
   
   
   Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

   Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

   Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

   Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

   Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

   Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

   НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

   10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.