Предлагаемое устройство может быть применено в области электрохимии для измерения поверхностного натяжения твердого электрода к зависимости от переменного потенциала электрода и времени.
В известных устройствах, позволяющих проследить зависимость поверхностного натяжения твердого электрода от его потенциала и установить потенциал максимума поверхностного иатяжеиия, т. е. потенциал нулевого заряда, при определенном постоянном значении потенциалов измеряется либо твердость испытуемого электрода, смоченного электролитом, либо деформация ползучести электрода.
Предлагаемое . снабжено пьезоэлементом, скрепленным с исследуемым электродом н генератором линейно н периодически изменяющегося напряжения в качестве нсточиика э.д.с. Высокочастотные колебания напряжения, возбуждаемые в электроде путем нериодического изменения потенциала, воспринимаются пьезоэлементом и регистрируются с помощью избирательного усилителя, что позволяет измерять поверхностное натяжение, меняющееся во времени, например, в результате быстрого изменения среднего значения потенциала, и достичь высокой чувствительности при регистрации колебаний поверхностиого натяжения, вызванных колебаниями потенциала с амплитудой, малой, по сравнению с
ооластью изменения среднего значения потенциала.
Благодаря регистрации колебаний силы, направленной вдоль оси симметри электрода, устройство позволяет исключить влияние дополнительиого давления, воспр1нн1маемого поверхностью электрода при прохоладении переменного тока, а также обеспечивает простую связь измеряемой величины с поверхностным натяжением.
Пьезоэлектрическая ячейка сиабжена подвижным цилиндром, скользящим в обойме, i пружиной, постоянное удлинение которой обеснечивает предварительное натяжение элек5трода, выполненного в виде проволоки либо ле.чты фольги. Обойма с|1абжена стопорным норшиед, оказывающим малое давление на боковую поверхность цилиндра.
На фиг. 1 изображена пьезоэлектрическая
0 ячейка предлагаемого прибора в разрезе; на фиг. 2 - устройство, используемое в приборе для изоляции ячейки с целью нсключення вибрационных номех; на фиг. 3 - блок-схема предлагаемого прибора.
5
Электроды / и 2 соединены с клеммами 3 и 4, впрессованными в тефлоновый фланец 5; фланец надевается на кювету 6, в которой во время измерений находится электролит. Основной электрод 1, на границе которого е электролитом должно быть измерено поверхностное натяжение, наготовлен из проволоки либо из ленты металлической фольги. Одии конец проволоки закреплен в съемном упоре 7; упор может быть изготовлен из стекла, куда впаивается металл электрода. В центральной части проволоки сделана нетля, с помощью которой электрод подвешивается на стержне 8 из диэлектрика; нижний конец стержня имеет выточку для петли, а верхний жестко скреплен с пьезоэлемептом 9 в виде пластииы.
Пластина пьезоэлемента укреплена в корпусе, состоящем из стакана 10 и цилиндра 11. Возможны следующие крепления: 1) ньезоэлемент приклеен к стакану верхней гранью и работает только на растяжение, 2) свободно иоложен двумя концами на опоры с небольшим зазором над верхней гранью - работает на изгиб, 3) зажат на двух концах, при этом обкладки наносятся только на центральную часть пьезоэлемента, либо только на периферию. Кроме того, возможна сложная коммутация обкладок. Расчет с учетом деформаций пьезоэлемента и проволочного электрода / показывает, что прибор может регистрировать изменение поверхностного натяжения на 1 дин/см.
На стакан 10 надета тефлоновая оболочкя 12, предохраняющая стакан от попадания случайных капель электролита. Обкладки пьезоэлемента 9 соединены с контактными лепестками 13. Капал 14, высверленный в основании цилиндра 11, а также канавка, выточенная на внешней поверхности втулки 15, и колпачок 16 с отверстием служат для вывода проводов цепи пьезоэлемента.
Цилиндр 11, скользящий в обойме 17, соединен пружиной /8 с подвижной шайбой 19. Шайба снабжена опорными штырьками 20. При вертикальном перемещении шайбы штырек скользит вдоль паза 21, выточенного в обойме 17. Расположение штырька в одном из поперечных гнезд паза 21 обеспечивает три различных уровня -подъема шайбы 19. При любых относительных положениях цилиндра и и шайбы 19 - вплоть до соприкосновения перекладины 22 с втулкой 15 - пружина 18 находится в напрялсеином состоянии. Ее длина должна быть такой, чтобы в свободном состоянии ее верхний конец был располол ен несколько ниже верхнего торца втулки 15. Цилиндр // и скрепленные с ним детали начинают опускаться вместе с шайбой лишь после того, как перекладина 22 подошла вплотную к втулке 15. В рабочем состоянии электрод / натянут, для чего упор 7 подведен под крючки 23, припаянные к дну кюветы 6, а шайба 19 поднята в одно из трех положений. Колпачок 16 в контакте с другими металлическими деталями ячейки образует экраи пьезоэлемента.
Значительная масса стакана 10 и цилиндра 11 уменьшает до малой величины их движение при высокочастотных колебаниях электрода 1. Это движение может быть полностью исключено при любой частоте колебаний путем создаиия определенной силы трения между цилиндром // и обоймой 17. Сила трения должна быть больше амплитуды колебаний поверхностного натяжения электрода 1 и обеспечивается легким нал ;атием стопорного поршня 24 прямоугольного сечения на боковую поверхность цилиндра //. Необходимая сила нажатия достигается регулированием упругой связи норшня 24 со съемным кольцом 25. Малая по велнчине сила трения не препятствует поддержанию необходнмого нредварительного натял ения электрода 1, создаваемого пружиной 18. Нзменение предварительного патяжения на величину, сравнимую с силой трения,
не существенно для измерений. Предварительное натяжение не должно быть настолько большим, чтобы вызывать пластические деформации электрода 1. Пьезоэлектрическая ячейка помещена в цилиндрической камере 26 (см. фиг. 2), герметично закрытой сверху. Камера подвешена на нружине 27 под колпаком 28, прикрепляемым к столу 29. Через вентиль 30 из-под колпака откачивается воздух. Упругая подвеска кюветы и вакуум под колпаком ослабляют помехи, связанные с воздействием на пьезоэлемент сотрясений фундамента и звукового шума. Экранированные провода 31, выходящие из камеры 26, свободно подвещены на ней. Из-за их малой упругости и небольшого сечения они практически не пропускают шума в камеру. Вместе с тем они способствуют затуханию крутильных колебаний камеры 26 на пружине 27.
Питание электродов 1 к 2 переменным током и задание электрохимического потенциала электрода / (т. е. скачка потенциала на границе электрод - электролит) осуществляется генератором 32 (см. фиг. 3). Генератор вырабатывает относительно земли потенциал, линейно изменяющийся во времени с регулируемой скоростью, а также нернодический потенциал высокой частоты. В режиме заданного тока сумма эт;их потенциалов ноступает на
электрод 2 через высокоомиое сопротивление 33. В заданного потенциала сумма линейного и периодического потенциалов передается от генератора 32 блоку 34 отрицательного сопротивления. Эффективное отрицательное сонротивление блока 34 устанавливают таким, чтобы по абсолютной величине оно было равно сумме нагрузочного сопротивления 55 и сопротивления электролита между коаксиальными электродами / и 2. Если сопротивление электролита мало, то блок 34 может быть заменен компенсатором омических потерь, управляемым дополнительным третьим электродом. Если к тому же не требуется регистрировать ток в цени электрода 1, то потенциал от генератора 32 может быть непосредственно подан на электрод 2. В зависимости от положения переключателя 36 линейно изменяющийся потенциал от генератора 32 (либо падение потенциала на сопротивлении
иа пластины горизонтального отклонения луча электроннолучевой трубки 38.
Переменное нанряжение, возникающее на обкладках пьезоэлемента при периодическом изменении электрохимического потенциала ф электрода /, подается на вход избирательного усилителя 39 н затем через выпрямитель 40 поступает на пластпны вертикального отклонения луча трубки 38, где регистрируется величина, пропорциональная амплитуде Д0 колебаний поверхностного натяжения.
Режим заданного тока может быть использован, если, кроме заряжания двойного электрического слоя на электроде /, не протекает других нроцессов. При этом условии вместе с амплитудой А/ высокочастотной составляющей тока постоянна и амплитуда Де колебаний плотности заряда е электрода /. Поэтому в режиме заданного тока регистрируется зависимость Дсг/Ае « do/ds, от потенциала ср,
- - - f (с)
где С - дифференциальная емкость электрода, С del dtp, е - da/d(f.
Режим заданного потенциала позволяет исследовать поверхностное натяжение в условиях, усложненных протеканием электрохимической реакции иа электроде У. Регистрируется зависимость
d
g (),
d-(
откуда
3 5o + f g()uf ,
где GO ст (фо)
В качестве сро может быть выбран, например, потенциал нулевого заряда. Для практики обычно важно знать именно da/d(f.
В случае существенно щероховатой поверхности электрода функции /(ф) н (ф) получают из экспериментальных данных путем умножения последних на постоянный коэффициент, считывающий шероховатость. Этот коэффициент, различный для функций /(ф) и g((p), является характеристикой обработки электрода и может быть определеи один раз для серии измерений. Его постоянство в процессе измерения обеспечивается тем, что предварительное натяжение, которому подвергается электрод / достаточно мало, чтобы ие вызвать разрушений поверхности электрода.
Частота v периодической составляющей наиряжеиия должна удовлетворять условиям; л- УО; V kv у ; k -- 1, 2 .... (XJ, где vo и - - собственные частоты соответственно продольных и поперечных колебаний электрода /. Например, для проволочных электродов длиной 2 см и диаметром 0,02 см при предварительном натяжении 100 Г, указанные частоты составляют: для пластины и золота
vo 50000 гц, v 1000 гц: для железа УО « 130000 гц, v 1600 гц. Скорость изменения лииейной составляющей напряжения, обеспечивающей измерение поверхностного натяжения в нестационарных условиях, на практике достаточно варьировать в пределах в/сек.
Прибор может быть использован также для измерений в режиме резонанса, при частоте колебаний напряжения, совпадающей с собственной частотой продольных колебаний системы электрод - пьезоэлемент, а таклсе для интегральных измерений поверхностного натяжения, для чего на электроды подается только линейно изменяющееся напряжение и на входе избирательного усилителя устанавливается высокочастотный модулятор.
Предмет изобретения
1. Устройство для измерения поверхностного
натяжения твердых электродов, содержащее источник э. д. с., два электрода и кювету с электролитом, отличающееся тем, что, с целью проведения измерений в нестационарных условиях и обеспечения высокой чувствительности, исследуемый электрод выполнен в виде пров{5локи или ленты фольги и скреплен с пьезоэлементом, а в качестве источника э. д. с. применен генератор периодического и линейно изменяющегося напряжения.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью упрощеиня расчетов и исключения влияиия дополннтельных давлен11Й, воспринимаемых электродом при прохождении переменного тока в электролнте, пьезоэлемент
расположен в корпусе, состоящем из стакана и цилиндра, скользящего в обойме и соединенного с пружиной.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью исключения перемещений подвижного цилиндра при изменении поверхностного натяжения и вместе с тем сохранения постоянным предварительного натяжения электрода, обойма снабжена стопорным поршнем, скользящим по поверхности цилиндра.
22
,27
х J)f ч .. fWK
30 I i ГЬз/
29,1 W
-.. ±:iLZl b
i/- 2
II
