Способ определения плотности зарядов двойного электрического слоя в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхностью Советский патент 1988 года по МПК G01N27/60 

N9

О

ел

о ел

Изобретение относится к способам испытания электрофизических свойств материалов, а именно к способам определения контактной разности потенциалов и плотности зарядов двойного электрического слоя (ДЭС) в контакте, и может быть использовано в научно-исследовательских лаборато риях, например, для изучения физиг чесКих свойств материалов в малых обьемах.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение измерений плотности зарядов ДЭСо

Сущность способа заключается в следующем

Известно, что при малых скоростях соударения частиц с поверхностью мишени происходит прилипание частиц. С увеличением скорости соударения пр1и достижении некоторого критического значения скорости V,,, , характерного для каждой индивидуальной пары взаимодействующих частиц и подложки, начинается отскок частиц Критическа скорость начала отскока определяется величиной электростатических сил при тйжения, обусловленных двойньм электрическим слоем, возникающим в контакте. Поскольку электростатические силы притяжения определяются плотностью зарядов двойного электрического слоя, то, определив критическую скорость начала отскока V, можно рассчитать искомую величину средней плотности зарядов двойного электрического слоя по следующей,. теорети чески вьшеденной и эксперимннтально проверенной, формуле:

Р J /i Р 3//0

.0,3 () (™) , (1

где f - плотность материала;

.t| - модуль Пуассона; Е - модуль упругости материала частиц

Формула может быть получена еле™ дующим образом

Кинетическая энергия, частицы, двигающ ейся со скоростью V-,

,2.

(2)

, mV

Е - 5- ,

где m - масса частицы, причем

где R - радиус частицы;

f - плотность ее материала;

Во время удара частицы о поверхность кинетическая энергия частицы переходит в энергию упругой деформации

Энергия упруго деформированной частицы

г- „ i

р 8 Е„ -

15 1-7 R2

(4)

5

0

где а - радиус площади контакта.

В момент, максимальной деформации, когда кинетическая энергия полностью переходит в упругую, Е,, Ец

Отсюда, воспользовавшись вьфаже- ниями (2) и (4) с учетом (3), можно найти максимальный радиус гшощади контакта;

5л Ьч

R(4.

Е

9 (5)

В контакте частицы с поверхностью мишени образуется двойной электрический слой, который можно рассматривать как заряженньш плоский конденсатор. В этом случае процесс нарушения контакта эквивалентен процессу разведения обкладок плоского конденсатора и сопровождается затратами работы на преодоление сил электростатического притяжения между заряженныш обкладками. Поэтому при отскоке частицы упругая энергия расходуется на сообщение частице скорости отскока и на работу разделения обкладок двойного электрического слоя.

Работа разделения обкладок двойного слоя .

А ,

(6)

где. б - средняя плотность заряда на обкладках, имеющих форму круга радиуса а.

Когда скорость столкновения частицы с преградой V меньше критической скорости V (частица прилипает), . Когда скорость столкновения частицы с преградой , Ej.iA.

При критической скорости V , отвечающей началу отскока:

Е Ас(7)

Подставляя в выражение (7) значения Е из (2) и А из (6) с учетом (3) и (5), .имеем

Изобретение относится к испытанию электрофизических свойств материалов, в частности к способам определения контактной разности потенциалов и плотности зарядов двойного электрического слоя в контакте, и может быть использовано в исследовательскйх лабораториях, например, для изучения физических свойств материалов в малых объемах. Дця этого из диэлектрических частиц создают поток, движущийся с заданной скоростью Направляют этот поток частиц на твердую поверхность и увеличиваю т скорость потока падающих частиц. Затем определяют момент начала отрыва частиц от твердой поверхности и фиксируют значение критической скорости потока частиц, соответствующей этому моментус Плотность зарядов в двойном электрическом слое в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхностью вычисляют по формуле, приведенной в опи- сании изобретения. Измерение плотности зарядов можно производить как в воздушной ср еде, та и в вакууме. с (б (Л

4 „3 1

т -J f ,

(3)

,„,.„ л

б

R

3 :V,

или

Из этого равенства и следует предложенная формула ,, г 3/,

6--fi-(,-1.)/n 4fV:)(p)/ . 10 использование которой позволяет, зная критическую скорость отскока. V , определить плотность зарядов двойного электрического слоя.

Способ осуществляется следующим образом.

Испытуемые частицы распыляются с помощью генератора Фукса-Мурашке1420505

подстановки в формулу (3) дало значение плотности зарядов двойного элек: трического слоя, равное v 2,1-10 СГСЭ или 0,7 10 Кл/м,

(8) Использование предлагаемого способа позволяет не только облегчить и ускорить измерения плотности зарядов двойного электрического слоя, но и обеспечить автоматизацию измерений и значительно повысить точность. Измерения можно производить как в воздушной среде, так и в. вакууме

15

Формула изобрегения

Способ определения плотности зарядов двойного электрического слоя в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхнрстью, заключающийся в том, что используют диэлектрические частицы с заданным свойствами, наносят их на твердую поверхность и затем отделяют от нее, вычисляют плотность зарядов в двойном электрическом слое в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, из диэлектрических

вича, постепенно дозированно вводятся в устройство для их разгона - аэродинамическую трубу. После достижения частицами определенной скорости, фиксируемой одним из известных способов, они направляются на препятствие - мишень, изготовленную из второго испытуемого материала. При этом происходит соударение частиц с препятствием

При непрерывном наблюдении за поведением частиц при их соударении с мишенью плавно увеличивают скорость соударения и фиксируют визуально или с помощью электрической схемы момент начала отскока частиц от препятствия Скорость в момент начала отскока и являетс я величиной, по которой с помощью приведенной выше формулы определяется плотность зарядов двойного электрического слоя 5.

Применение предлагаемого способа для изучения контактного взаимодействия частиц полистирола (Е 3 10 дн/см, ( 1/3,/:v.1 г/см, диаметр мкм) и плоской поверхности кварца позволило определить плотност зарядов двойного электрического слоя в контакте.

Критическая скорость, при которой начинался отскок частиц в воздухе, составляла .0,94 см/с, что после

Формула изобрегения

Способ определения плотности зарядов двойного электрического слоя в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхнрстью, заключающийся в том, что используют диэлектрические частицы с заданным свойствами, наносят их на твердую поверхность и затем отделяют от нее, вычисляют плотность зарядов в двойном электрическом слое в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, из диэлектрических

частиц создают поток, движущийся с заданной скоростью, направляют поток частиц на твердую поверхность, увеличивают скорость потока частиц, падающих на твердую поверхность, оп

ределяют момент начала отрыва частиц от твердой поверхности, фиксируют значение критической скорости потока частиц, соответствующей этому моменту, а плотность зарядов в двойном

электрическом слое в контакте диэлектрических частиц с твердой поверхностью вычисляют по формуле

0,23 (p.V,). () , .

где р - плотность;

tj - модуль Пуассона; Е - модуль упругости материала частиц;

VK - критическое значение скорости потока частиц.