206140

206 4 О ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республикависимое от авт, свидетельстваКл. 421,Заявлено 21 Л.1966 ( 1056630/26-25) с присоединением заявкиМПК 6 01 Приоритет Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССРУДК 543.545;537.363.0 (088.8) ликовано 02.Х 11,1967, Бюллетень24 та опубликования описания 12,11,19 Авторизобретения Я. Гохштей аявите УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЛЕКТРОФОРЕЗА Данное устройство относится к области фиической химии и предназначается для исслеования электрофореза на границе твердое ело - жидкость в нестационарных условиях.Известны устройства для исследованияэлектрофореза, снабженные электродами длясоздания в жидкости электрического поля, вкоторых измеряется установившееся движениевзвешенных в растворе частиц либо измеряется с помощью микроскопа стационарное отклонение погруженной в электролит тонкойпроволоки,Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что оно снабжено пьезоэлементом, один конец которого жестко связан с погруженным в раствор твердым телом в видепластины, ориентированной вдоль внешнегоэлектрического поля, а другой конец пьезоэлемента закреплен в корпусе кюветы и подключен к избирательному усилителю, соединенному с выпрямителем и регистраторомнапряжения, снимаемого с пьезоэлемента ипропорционального электрофоретической силе.В зависимости от природы исследуемого 25твердого тела данное устройство содержит:генератор переменного электрического поля,если исследуется диэлектрик либо полупроводник с низкой электропроводностью; генераторпеременного скачка потенциала на границе 30 пластина - раствор, если исследуется металл или полупроводник с высокой электропроводностью, В обоих случаях генераторы настроены на частоту, равную резонансной частоте механической системы пьезоэлемент - пластина.Такая конструкция устройства предусматривает значительное повышение его чувствительности, а также обеспечивает измерение зависимости электрофоретических сил от времени в условиях, когда состояние межфазной границы жидкость - твердое тело быстро меняется в процессе измерения. Например, при резонансной частоте 1000 гтрк может быть зарегистрировано изменение амплитуды электрофоретической силы, совершающееся за 0,01 сек. Резонансную частоту системы пьезоэлемент - пластина можно варьировать в широких пределах, меняя жесткость пьезоэлемента и массу пластины за счет их размеров.На чертеже дана схема предлагаемого устройства.Исследуемое твердое тело в виде тонкой пластины 1 посредством стержня 2 жестко соединено с одним концом пьезоэлемента 3, другой конец которого зажат во втулке 4, скрепленной с экраном 5. Экран укреплен на крышке б прямоугольной кюветы 7. В кювете расположены электроды 8 и 9, служащие для создания электрического поля в растворе, ипористые перегородки 10 и 11, предотвращающие связанное с конвекцией попадание продуктов электролиза с электродов 8 и 9 на пластину 1.Электроды 8 и 9 соединены последовательно с переменным нагрузочным сопротивлением 12 и вторичной обмоткой трансформатора 13, первичная обмотка которого питается от генератора 14 периодического напряжения регулируемой частоты и амплитуды. Электрод 9 заземлен по переменному току с помощью емкости 15.Сопротивление 12 соединено со входом усилителя 1 б, куда поступает разность потенциалов, пропорциональная току в цепи электродов 8 - 9, и, следовательно, напряженности электрического поля между электродами.В тех случаях, когда сопротивление раствора между электродами 8 - 9 мало, включение в схему достаточно большого сопротивления 12 обеспечивает в цепи электродов 8 - 9 режим заданного тока. Обкладки пьезоэлемента соединены со входом избирательного усилителя 17, к выходам которого подключены выпрямитель 18 и пара пластин электроннолучевой трубки 19 (последняя служит для определения разности фаз между сигналами, поступающими с выходов усилителей 1 б и 17),Усилитель 20, генератор развертки 21 и электроннолучевая трубка 22 предназначены для регистрации сигнала, поступающего с выхода выпрямителя 18, во времени. Генератор 14 используется в случае, когда пластина 1 - диэлектрик. Если пластина 1 - металл, то для создания поля в растворе используется генератор 23 постоянного напряжения, вводимый в цепь электродов 8 - 9 переключателем 24. Вспомогательный электрод 25 и генератор 2 б суммы линейно изменяющегося и периодического напряжения служат для задания скачка потенциала на границе пластины 1 с раствором в том случае, когда пластина 1 - металл либо полупроводник с высокой проводимостью. Пластина в этом случае заземлена, Электрод 25 состоит из двух металлических пластин, расположенных по обе стороны пластины 1, параллельно ей, Толщина пластины 1 - 0,1 - :1,0 мм.При проведении измерений кювета 7 заполняется до определенного уровня раствором так, чтобы в раствор была погружена часть пластины, одна и та же в серии последовательных опытов.Если пластина 1 - диэлектрик или полупроводник с низкой электропроводностью, с помощью электродов 8 - 9 и генератора 14 в растворе создается переменное электрическое поле, которое приводит к возникновению переменных электрофоретических сил, действующих на плоскости пластины и направленных параллельно полю, Эти силы приводят к вссма малым колебаниям системы пьезоэлемент - пластина, что сопровождается появлением на обкладках пьезоэлемента переменного напряжения, которое усиливается из 5 10 15 20 25 зо 35 45 50 55 60 65 бирательным усилителем 17 и поступает на пару пластин электроннолучевой трубки 19. На другую пару пластин этой трубки с усилителя 1 б подается напряжение, пропорциональное электрическому полю в растворе. Трубка 19 используется для сопоставления фаз обоих напряжений. Частота колебаний электрического поля в растворе устанавливается равной резонансной частоте механических колебаний системы пьезоэлемент - пластина, происходящих за счет изгиба пьезоэлемента. При равенстве частот напряжение, снимаемое с пьезоэлемента, достигает максимума, С выпрямителя 18 через усилитель 20 на вертикально-отклоняющие пластины трубки 22 подается напряжение, пропорциональное амплитуде электрофоретических сил, действующих на пластину 1. Трубка 22 используется для регистрации этой амплитуды в зависимости от времени.Если пластина 1 - металл или полупроводник с высокой электропроводностью, генератором 2 б с помощью вспомогательного электрода 25 периодически, с частотой, равной резонансной частоте системы пьезоэлемент - пластина, изменяется скачок потенциала на границе пластины 1 с раствором, С помощью генератора 2 б может быть осуществлено также одновременное линейное изменение среднего значения скачка потенциала со временем. Это, а также синхронизация генератора 2 б с генератором развертки 21 позволяет измерить зависимость амплитуды электрофоретических сил от скачка потенциала на границе исследуемого твердого тела с раствором.То, что в предлагаемом устройстве условия измерений должны быть различны для двух групп твердых тел - металлов и диэлектриков - непосредственно связано с нестационарностью измерений, для которых предназначено предлагаемое устройство, и с необходимостью обеспечить периодическое изменение электрофоретических сил с тем, чтобы можно было применить избирательное усиление, а также с тем, чтобы устройство могло работать в режиме механического резонанса. Избирательное усиление и режим механического резонанса в сочетании с применением пьезоэлемента гарантируют высокую чувствительность устройства. Однако требуемое периодическое изменение электрофоретических сил не может быть достигнуто одним и тем же способом и в случае диэлектриков и в случае металлов. Этим рассматриваемый здесь нестационарный случай принципиально отличается от стационарного, в котором постоянные электрофоретические силы, действующие на диэлектрики и металлы (в отсутствие электро- химических реакций), одинаковы в одном и том же постоянном внешнем электрическом поле при одном и том же заряде подвижной части двойного слоя, Переменное электрическое поле вблизи диэлектрика сохраняет то же направление, что и постоянное электрическое поле - касательно к поверхности ди.электрика; в случае металла постоянное поле также направлено касательно к поверхности металла, Однако переменное электрическое поле вблизи металла имеет существенно другое направление, так как в условиях переменного поля переменный ток проходит трез границу металл - раствор, являющуюся э тричсским конденсатором. Уже при нсб л ших частотах (порядка 10 гц для растворов электролитов с концентрацией ниже 0,001 М) сопротивление этого конденсатора настолько мало, что основная часть переменного тока проходит через металл, обладающий низким сопротивлением, вмест отого, чтобы проходить через находящийся рядом раствор с высоким сопротивлением, В этих условиях явление электрофореза практически отсутствует.По этой причине в случае диэлектрика или полупроводника с низкой проводимостью для периодического изменения электрофоретической силы цслесообразно периодически менять внешнее электрическое поле, а в случае металла или полупроводника с высокой проводимостью целесообразно при постоянном электрическом поле периодически менять скачок потенциала на границе твердое тело - раствор, изменяя таким путем заряд, на этой границе, что возможно именно благодаря высокой электропроводности.В обоих случаях достигается периодическое изменение электрофоретической силы, являющейся результатом взаимодействия электрического поля и заряда, Интерпретация результатов измерений в обоих случаях различна: в случае персменного поля амплитуда напряжения, снимаемого с пьезоэлемента, пропорциональна заряду подвижной части двойного электрического слоя, а в случас переменного скачка потенциала - производной этого заряда по потенциалу.Измерение зависимости амплитуды электрофоретических сил от времени позволяет исследовать различные быстропротекающис про 15 20 25 Зо 35 40 цсссы па мсжфазной границе: адсобцию, физико-хкмичс, пс процессы, инициированные облучением, и другие. В случае повторяемости процессов, вызванных облучением, полезно слсдующсе видоизменение предлагаемого устройства: создаваемое электродами 8 - 9 элекр чсскос поле в растворе постоянно, облучс. пластины 1 с помощью прсрывателя преобразуется в импульсы с частотой, равной резонансной частоте системы пьезоэлемент - пластина. Предмет изобретения1. Устройство для исследования электрофореза, содержащее кювету с погруженным в раствор твердым телом, электроды для создания электрического поля в растворе, соединенныс с исто ником э.д.с., отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и проведения измерений в нестацпонарных условиях, оно снабжено пьезоэлементом, один конец которого жестко соединен с погруженным в раствор твердым телом, выполненным в виде пластины, другой конец пьезоэлемента закреплен в корпусе кюветы и подключен к избирательному усилителю, соединенному с выпрямителем и регистратором напряжения.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью проведения измерений электрофорстических спл на границе металла либо ппзкоомпого полупроводника с раствором в псстационарных условиях, оно снабжено вспомогательным электродом, соединенным с генератором периодически и линейно изменяющегося потснциала, а исследуемое твердое тело ориснтировано в направлении постоянного внешнего электрического поля.3. Устройство по п. 1, отличаощееся тем, что, с цслгио проведения измерений на грани це диэлектрика либо высокоомного проводив ка с раствором, исследуемое твсрдос тело ори снтировано в направлении внешнего переменного поля.206140 Состав н тель Н, В. Кач икова ор Н. 11, Белявская Техред А, А. Каыышникова Корректоры: И. Л. К и С. А. БаПодписноеинистров СССР и Совет Типография, пр. Сапунова,Заказ 4665/17 Тираж 535 ЦНИИПИ Ксмнтета по делам изобретений и открыти Москва, Центр, пр. Серова, лловаыкова