Устройство относится к области физической химии и используется для исследования строения двойного электрического слоя на межфазной границе электрод - раствор.
Известно устройство для измерения заряда электрода, содержащее исследуемый электрод в виде проволоки, вспомогательный электрод для создания электрического поля в растворе и микроскоп для измерения стационарного отклонения исследуемого электрода в электрическом поле.
Известно также устройство для измерения поверхностного натяжения твердого электрода, снабженное электродом в виде фольги либо нити, пьезоэлементом и генератором переменного напряжения.
Предлагаемое устройство для исследования физико-химических характеристик твердого электрода отличается от известных тем, что пьезоэлемент соединен с электродом в механическую систему, одновременно совершающую колебания изгиба и кручения под воздействием соответственно электрофоретических сил и сил поверхностного натяжения, которые изменяются периодически с помощью двух генераторов переменного напряжения, один из которых настроен на резонансную частоту колебаний изгиба, другой - на резонансную частоту колебаний кручения системы электрод - пьезоэлемент. Это позволяет одновременно на одном и том же образце электрода измерять заряд подвижной части двойного слоя и поверхностное натяжение, а также зависимость этих величин от потенциала электрода и времени.
Каждая из двух гармоник, одновременно генерируемых на обкладках пьезоэлемента, усиливается отдельным избирательным усилителем, настроенным на соответствующую частоту. Одновременное измерение заряда и поверхностного натяжения твердого электрода обеспечивает устранение искажений, которые возникают при сопоставлении этих величин, полученных порознь.
В предлагаемом устройстве переменная электрофоретическая сила, пропорциональная изменению заряда, перпендикулярна силе, вызванной изменением натяжения; электрод и пьезоэлемент расположены относительно друг друга так, что каждая из указанных сил имеет направление одного из резонансных колебаний механической системы электрод - пьезоэлемент и перпендикулярна направлению другого резонансного колебания системы. По этой причине электрофоретическая сила может вызвать колебания изгиба механической системы, но, проходя через одну из главных осей инерции системы (ось кручения), не способна вызвать колебания кручения. Сила от изменения поверхностного натяжения является в данном устройстве силой инерции, обусловленной переменной деформацией электрода. Эта сила пропорциональна поверхностному натяжению и квадрату частоты колебаний при измерениях на частотах, лежащих много ниже собственной частоты деформации электрода. С другой стороны, электрофоретическая сила, действующая на систему электрод - пьезоэлемент, от частоты не зависит.
Это позволяет измерять электрофоретические силы на достаточно низкой частоте, при которой силы инерции, возникшие за счет изменения поверхностного натяжения, пренебрежимо малы. В качестве такой частоты в настоящем устройстве выбрана собственная частота колебаний изгиба системы электрод - пьезоэлемент, которую можно варьировать изменением размеров системы и которая имеет порядок сотен герц.
Колебания поверхностного натяжения измеряются в предлагаемом устройстве на частоте, совпадающей с собственной частотой колебаний кручения системы электрод - пьезоэлемент. Эта частота на порядок выше собственной частоты колебаний изгиба и составляет тысячи герц.
Четкое разделение двух одновременно регистрируемых величин - амплитуд заряда и поверхностного натяжения - достигается тремя независимыми и усиливающими друг друга способами:
двум взаимно ортогональным направлениям колебаний, используемым для измерения заряда и натяжения, соответствуют две различные резонансные частоты. Поэтому даже в том случае, когда силы, вызывающие колебания в каждом из этих направлений одинаковы, при измерении на одной из резонансных частот движение колеблющейся системы практически определяется лишь той силой, которая действует в направлении резонансных колебаний;
на частоте измерения заряда сила, вызванная изменением поверхностного натяжения, уменьшается до пренебрежимо малой величины. Для этого использованы квадратичная зависимость этой силы от частоты и независимость электрофоретической силы от частоты при фиксированной амплитуде периодического потенциала электрода;
на частоте измерения поверхностного натяжения переменная электрофоретическая сила исключена путем разделения электрода на две одинаковые скрепленные между собой пластины и питания этих пластин противоположными фазами периодического напряжения. Благодаря этому переменные электрофоретические силы, действующие на эти пластины, направлены по одной линии в противоположные стороны и взаимно уравновешиваются.
Пластины электрода касаются раствора только одной гранью. Этим достигается изоляция противоположной грани без помощи посторонних веществ, соприкосновение которых с раствором нежелательно. Свободная грань пластин электрода используется для нанесения полосы хорошо проводящей пленки на электрод в том случае, когда исследуются электроды с низкой электропроводностью.
На чертеже представлены радиотехническая блок-схема предлагаемого устройства, а также его вид сбоку и сверху в разрезе.
Исследуемый твердый электрод выполнен составным в виде двух пластин 1 и 2 из металла либо полупроводника. Когда исследуют полупроводник с низкой электропроводностью, на верхние грани пластин наносят хорошо проводящий слой в виде полос, например пленку металла. Пластины прикреплены к промежуточной крестовине 3 из диэлектрика. Крестовина 3 насажена на концы двух пьезокристаллов 4 и 5, образующих составной пьезоэлемент. Противоположные концы пьезокристаллов 4 и 5 зажаты во втулке 6, расположенной в экране 7. Экран 7 прикреплен к брусу 8, который входит в направляющий паз 9 стойки 10 и может перемещаться в вертикальном направлении с помощью микрометрического винта 11. Стойка 10 укреплена на плите 12, где установлена также кювета 13, наполненная электролитом.
В кювете 13 размещены электроды 14 и 15, служащие для создания внешнего электрического поля в центральном отделении кюветы, отгороженном от электродов пористыми перегородками 16 и 17. Вспомогательный электрод 18, находящийся в центральном отделении кюветы, предназначен для задания скачка потенциала на границах пластин 1 и 2 с электролитом. Кювета и электроды защищены внешним экраном 19, который установлен на плите 12.
Электроды 14 и 15 подключены к источнику 20 постоянной регулируемой э.д.с. Генератор 21 линейно изменяющегося напряжения служит для задания вспомогательного электрода 18. Генератор 22 периодического напряжения применен для наложения на пластины 1 и 2 одинакового по фазе периодического потенциала малой амплитуды с частотой, равной собственной частоте колебаний изгиба системы электрод - пьезоэлемент, которая состоит из пластин 1, 2, пьезокристаллов 4, 5 и промежуточной крестовины 3. Трансформатор 23 с выводом от центральной точки вторичной обмотки и генератор 24 периодического напряжения при введенном тумблере 25 используются для наложения на пластины 1 и 2 противоположного по фазе периодического потенциала малой амплитуды с частотой, равной собственной частоте колебаний кручения системы электродно-лучевой трубки 27.
Обкладки пьезокристалла 4 соединены с одной парой вертикально отклоняющих пластин трубки 27 через избирательный усилитель 28, выпрямитель 29 и усилитель 30 вертикального отклонения луча. Обкладки пьезокристалла 5 связаны с другой парой вертикально отклоняющих пластин трубки 27 при помощи усилителя 31, выпрямителя 32 и усилителя 33. Один из избирательных усилителей 28, 31 (безразлично какой) настроен на частоту собственных колебаний изгиба системы электрод - пьезоэлемент, другой - на частоту собственных колебаний кручения этой системы.
Для проведения измерений кювету 13 заполняют электролитом так, чтобы поверхность жидкости была выше краев кюветы, насколько это позволяет мениск. Нижние плоскости пластин 1 и 2 при помощи винта 11 приводят в соприкосновение с электролитом. В случае наложения на пластины 1 и 2 периодического потенциала низкой частоты от генератора 22 (собственная частота колебаний изгиба системы 1-5) на нижние плоскости пластин 1 и 2 действует переменная электрофоретическая сила, направленная параллельно этим плоскостям. Это приводит к переменному смещению электродов в том же направлении и к одинаковому изгибу пьезокристаллов 4 и 5.
При наложении на пластины 1 и 2 периодического потенциала высокой частоты от генератора 24 (собственная частота колебаний кручения системы 1-5) наряду с электрофоретической силой на электроды действуют существенные на высокой частоте силы, вызванные изменением поверхностного натяжения на границе электрод - электролит. Так как напряжение от генератора 24 на пластины 1 и 2 поступает в противофазе, то переменные составляющие электрофоретических сил на этой частоте действуют на электроды в противоположном направлении. По величине эти силы равны, поэтому они взаимно уравновешиваются и пьезокристаллам 4, 5 не передаются.
Пластины 1 и 2 касаются электролита только одной плоскостью, вследствие этого изменение поверхностного натяжения в этой плоскости при изменении потенциала на электроде противоположной плоскости приводит к весьма малому изгибу пластины электрода в направлении, перпендикулярном поверхности раствора. Направление изгиба пластин 1 и 2 в каждый момент времени противоположно. При периодическом изменении потенциала пластин 1 и 2 их изгиб приводит к появлению сил инерции, возбуждающих резонансные круговые колебания системы 1-5.
В результате колебаний системы 1-5 на двух различных резонансных частотах на обкладках каждого пьезокристалла 4 и 5 генерируется сумма двух периодических напряжений, амплитуда одного из которых пропорциональна амплитуде поверхностного натяжения, амплитуда другого - амплитуде электрофоретической силы и, следовательно, амплитуде заряда подвижной части двойного электрического слоя. Каждый из избирательных усилителей 28 и 31 отфильтровывает и усиливает только одно из этих напряжений. В выпрямителях 29, 32 они выпрямляются и на вертикально отклоняющие пластины трубки 27 поступают напряжения, пропорциональные амплитудам измеряемых величин. Связь блоков 21 и 26 позволяет одновременно регистрировать осциллограммы амплитуды поверхностного натяжения и амплитуды заряда в зависимости от среднего потенциала электрода, линейно изменяющегося со временем.
Предлагаемое устройство остается работоспособным и тогда, когда один из электродов (пластин 1-2) отключен, например, с помощью тумблера 25, а входы избирательных усилителей 28, 31 присоединены к обкладкам только одного из пьезокристаллов 4, 5.
1. Устройство для исследования физико-химических характеристик твердого электрода, содержащее кювету с электролитом, исследуемый и вспомогательный электроды, пьезоэлемент и источник ЭДС, соединенный с двумя электродами для создания постоянного электрического поля в электролите, отличающееся тем, что, с целью одновременного измерения зависимостей заряда и поверхностного натяжения твердого электрода от потенциала, исследуемый электрод жестко скреплен с пластиной пьезоэлемента перпендикулярно к ней и подключен к двум генераторам периодического напряжения, настроенным на резонансные частоты колебаний системы электрод - пьезоэлемент, а пьезоэлемент соединен через избирательные усилители с регистратором.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью взаимного уравновешивания переменных электрофоретических сил при измерении поверхностного натяжения на резонансной частоте колебаний кручения, исследуемый электрод выполнен в виде двух отдельных электрически изолированных пластин, подключенных к противоположным концам вторичной обмотки трансформатора, центральная точка которой соединена со вспомогательным электродом, а первичные обмотки трансформатора присоединены к генераторам периодического напряжения.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью изоляции одной грани пластин электрода, пластины электрода расположены горизонтально и нижними гранями приведены в соприкосновение с поверхностью электролита.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что, с целью проведения измерений на электродах с низкой электропроводностью, на верхние находящиеся над поверхностью раствора грани электродов нанесен в виде полосы слой хорошо проводящего вещества.
