Los fenómenos electroacústicos surgen cuando el ultrasonido se propaga a través de un fluido que contiene iones . El movimiento de partículas asociado genera señales eléctricas porque los iones tienen carga eléctrica . Este acoplamiento entre el ultrasonido y el campo eléctrico se denomina fenómenos electroacústicos. El fluido puede ser un simple líquido newtoniano , una dispersión heterogénea compleja , una emulsión o incluso un cuerpo poroso. Hay varios efectos electroacústicos diferentes según la naturaleza del fluido. [1] [2]
- Corriente y potencial de vibración iónica (IVI), una señal eléctrica que surge cuando una onda acústica se propaga a través de un fluido homogéneo .
- Flujo de corriente de vibración (SVI) y potencial, una señal eléctrica que surge cuando una onda acústica se propaga a través de un cuerpo poroso en el que los poros están llenos de líquido.
- Corriente y potencial de vibración coloide (CVI), una señal eléctrica que surge cuando el ultrasonido se propaga a través de un fluido heterogéneo , como una dispersión o emulsión .
- Amplitud sónica eléctrica (ESA), la inversa del efecto CVI, en el que surge un campo acústico cuando un campo eléctrico se propaga a través de un fluido heterogéneo .
Corriente de vibración iónica
Históricamente, el IVI fue el primer efecto electroacústico conocido. Debye lo predijo en 1933. [3]
Flujo de corriente de vibración
La corriente de vibración fluida fue observada experimentalmente en 1948 por Williams. [4] Un modelo teórico fue desarrollado unos 30 años más tarde por Dukhin y otros. [5] Este efecto abre otra posibilidad para caracterizar las propiedades eléctricas de las superficies en cuerpos porosos. Se puede observar un efecto similar en una superficie no porosa, cuando el sonido rebota en un ángulo oblicuo. Las ondas incidente y reflejada se superponen para provocar un movimiento oscilatorio del fluido en el plano de la interfaz, generando así una corriente alterna a la frecuencia de las ondas sonoras. [6]
Compresión de doble capa
Se puede considerar que la doble capa eléctrica se comporta como un condensador de placas paralelas con un relleno dieléctrico comprimible. Cuando las ondas sonoras inducen una variación de presión local, el espaciamiento de las placas varía a la frecuencia de la excitación, generando una corriente alterna de desplazamiento normal a la interfaz. Por razones prácticas, esto se observa más fácilmente en una superficie conductora. [7] Por tanto, es posible utilizar un electrodo sumergido en un electrolito conductor como micrófono, o incluso como altavoz cuando el efecto se aplica al revés. [8]
Potencial y corriente de vibración coloidal
El potencial de vibración coloidal mide la diferencia de potencial de CA generada entre dos electrodos relajados idénticos, colocados en la dispersión, si este último se somete a un campo ultrasónico. Cuando una onda sonora viaja a través de una suspensión coloidal de partículas cuya densidad difiere de la del medio circundante, las fuerzas de inercia inducidas por la vibración de la suspensión dan lugar a un movimiento de las partículas cargadas con respecto al líquido, provocando una fuerza electromotriz alterna. Las manifestaciones de esta fuerza electromotriz pueden medirse, dependiendo de la relación entre la impedancia de la suspensión y la del instrumento de medida, ya sea como potencial de vibración coloidal o como corriente de vibración coloidal . [9]
El potencial de vibración coloidal y la corriente fueron reportados por primera vez por Hermans y luego de forma independiente por Rutgers en 1938. Se usa ampliamente para caracterizar el potencial ζ de varias dispersiones y emulsiones. El efecto, la teoría, la verificación experimental y las múltiples aplicaciones se analizan en el libro de Dukhin y Goetz. [2]
Amplitud sónica eléctrica
La amplitud sónica eléctrica fue descubierta experimentalmente por Cannon con sus coautores a principios de la década de 1980. [10] También se usa ampliamente para caracterizar el potencial ζ en dispersiones y emulsiones. Hay una revisión de esta teoría del efecto, verificación experimental y múltiples aplicaciones publicadas por Hunter. [11]
Teoría de CVI y ESA
Con respecto a la teoría de CVI y ESA, hubo una observación importante hecha por O'Brien, [12] quien vinculó estos parámetros medidos con la movilidad electroforética dinámica μ d .
dónde
- A es constante de calibración, dependiendo de la frecuencia, pero no de las propiedades de las partículas;
- ρ p es la densidad de partículas,
- ρ m densidad del fluido,
- φ es la fracción de volumen de la fase dispersa,
La movilidad electroforética dinámica es similar a la movilidad electroforética que aparece en la teoría de la electroforesis . Son idénticos a bajas frecuencias y / o para partículas suficientemente pequeñas.
Existen varias teorías sobre la movilidad electroforética dinámica. Su descripción general se da en la Ref.5. Dos de ellos son los más importantes.
El primero corresponde al límite de Smoluchowski. Produce la siguiente expresión simple de CVI para partículas suficientemente pequeñas con una dependencia de frecuencia de CVI insignificante:
dónde:
- ε 0 es la permitividad dieléctrica al vacío,
- ε m es la permitividad dieléctrica del fluido,
- ζ es potencial electrocinético
- η es la viscosidad dinámica del fluido,
- K s es la conductividad del sistema,
- K m es la conductividad del fluido,
- ρ s es la densidad del sistema.
Esta ecuación notablemente simple tiene el mismo amplio rango de aplicabilidad que la ecuación de Smoluchowski para electroforesis . Es independiente de la forma de las partículas, su concentración.
La validez de esta ecuación está restringida con los dos requisitos siguientes.
Primero, es válido solo para una capa doble delgada , cuando la longitud de Debye es mucho más pequeña que el radio de la partícula a:
En segundo lugar, descuida la contribución de la conductividad superficial . Esto supone un pequeño número de Dukhin :
La restricción de la capa doble delgada limita la aplicabilidad de esta teoría del tipo de Smoluchowski solo a sistemas acuosos con partículas suficientemente grandes y una fuerza iónica no muy baja. Esta teoría no funciona bien para los nanocoloides, incluidas las proteínas y los polímeros de baja fuerza iónica. No es válido para fluidos poco polares o no polares.
Hay otra teoría que es aplicable para el otro caso extremo de una doble capa gruesa, cuando
Esta teoría toma en consideración el solapamiento de doble capa que ocurre inevitablemente para sistemas concentrados con doble capa gruesa. Esto permite la introducción del llamado enfoque "cuasi-homogéneo", cuando capas difusas superpuestas de partículas cubren el espacio completo entre partículas. La teoría se simplifica mucho en este caso extremo, como lo demostraron Shilov y otros. [13] Su derivación predice que la densidad de carga superficial σ es un parámetro mejor que el potencial ζ para caracterizar los fenómenos electroacústicos en tales sistemas. A continuación, se muestra una expresión de CVI simplificada para partículas pequeñas:
Ver también
- Interfaz y ciencia coloide
Referencias
- ^ Norma internacional ISO 13099-1, 2012, "Sistemas coloidales - Métodos para la determinación del potencial Zeta - Parte 1: Fenómenos electroacústicos y electrocinéticos"
- ^ a b Dukhin, AS y Goetz, PJ Caracterización de líquidos, nanopartículas y micropartículas y cuerpos porosos mediante ultrasonido , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0
- ^ Debye, P. (1933). "Un método para la determinación de la masa de iones electrolíticos". La Revista de Física Química . 1 (1): 13–16. doi : 10.1063 / 1.1749213 . ISSN 0021-9606 .
- ^ Williams, Milton (1948). "Un transductor electrocinético". Revisión de instrumentos científicos . 19 (10): 640–646. doi : 10.1063 / 1.1741068 . ISSN 0034-6748 . PMID 18888189 .
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- ^ Glauser, AR; Robertson, PA; Lowe, CR (2001). "Un sensor electrocinético para el estudio de superficies sumergidas, mediante ultrasonido enfocado". Sensores y actuadores B: Químico . 80 (1): 68–82. doi : 10.1016 / S0925-4005 (01) 00888-7 . ISSN 0925-4005 .
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- ^ Hunter, Robert J. (1998). "Desarrollos recientes en la caracterización electroacústica de suspensiones y emulsiones coloidales". Coloides y superficies A: aspectos fisicoquímicos y de ingeniería . 141 (1): 37–66. doi : 10.1016 / S0927-7757 (98) 00202-7 . ISSN 0927-7757 .
- ^ O'Brien, RW (2006). "Efectos electroacústicos en una suspensión diluida de partículas esféricas". Revista de Mecánica de Fluidos . 190 (1): 71–86. doi : 10.1017 / S0022112088001211 . ISSN 0022-1120 .
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