Что такое поляризационное напряжение

Напряжение поляризации (рабочее напряжение)

Параметры, определяющие ток электрода

Количество кислорода, диффундирующего к платине, и сила тока зависят от следующих параметров:

1. Парциального давления кислорода

2. Материала мембраны и ее толщины

4. Напряжения поляризации

6. Скорости потока жидкости у поверхности электрода.

Напряжение поляризации Uп (рабочее напряжение) выбирается из условия, что кислород полностью восстанавливается, в то время как другие газы не оказывают влияния на величину тока. Рабочее напряжение следует стабилизировать в максимально возможной степени. Кроме стабилизации Uп важным является выполнение следующих условий:

— электрическое сопротивление пленки электролита не должно превышать определенной величины, чтобы избежать значительного скачка напряжения на нем

— площадь анода должна быть достаточно большой для того, чтобы избежать его поляризации током электрода.

Температурная зависимость тока электрода при постоянном парциальном давлении кислорода определяется исключительно температурной зависимостью проницаемости мембраны, а не параметров электрохимический реакции.

Зависимость показаний от скорости потока жидкости. Для большинства кислородных электродов сила тока в растворе без перемешивания всегда ниже силы тока в потоке жидкости. Потребление кислорода электродом приводит к обеднению приповерхностного слоя на наружной стороне мембраны (снижению концентрации кислорода). В зону обеднения кислород из раствора поступает за счет диффузии. Если ток электрода велик, то поступление кислорода не обеспечивается диффузией. Это приводит к снижению тока, по сравнению с тем, который должен был бы соответствовать условиям в растворе. В перемешиваемых же растворах кислород поступает к по­верхности не только за счет диффузии, но также и в результате доставки с потоком жидкости. В этом случае снимается обеднение/истощение приповерхностного слоя кислородом. Значительная зависимость силы тока от скорости перемешивания жидкости наблюдается в основном у электродов с большой площадью катода, тонкими и высокопроницаемыми мембранами, т.е. в тех случаях, когда ток электрода значителен.

В электродах фирмы Ingold, имеющих тонкую тефлоновую мембрану, определяющую величину тока, на поверхности расположена относительно толстая силиконовая мембрана. Этот материал характеризуется высокой проницаемостью для кислорода и действует поэтому как резервуар, накапливающий кислород. Двойная композиции мембраны «силикон-тефлон» является эффективным буфером, компенсирующим возмущения, вызванное нестабильностью гидродинамического потока.

Время ответа. Время ответа Tо кислородных электродов определяется толщиной и типом газопроницаемой мембраны:

где х – толщина мембраны, D – коэффициент диффузии.´Tо = const

Тонкие и высокопроницаемые мембраны позволяют получить электроды с малым временем ответа.

Таблица. Характеристики некоторых глюкозоанализаторов.Прим.:Во всех глюкозоанализаторах использован фермент глюкозоксидаза. * Дополнительно используется медиатор для переноса электронов.

б) Определение концентрации этилового спирта. В основу функционирования ферментных электродов первого поколения, например электрода для определения этилового спирта, была положена природная ферментативная реакция:

Аналогичный пример для детекции глюкозы уже был использован ранее для иллюстрации применения различных принципов преобразования сигнала при создании биосенсоров. В данном случае эта реакция приведена для демонстрации принципа использования электрода Кларка для регистрации концентрации этанола в сенсоре на основе алкогольоксидазы (АО, фермент класса оксидаз) и измерения потребления кислорода – Рис. ниже. В процессе окисления спирта происходит снижение уровня кислорода в зоне иммобилизованного фермента; степень снижения определяется концентрацией этанола и является основой для его количественной оценки.

Рис. Зависимость сигналов ферментного сенсора от времени для различных концентраций этанола (кюветный способ измерения, показаны сигналы для концентраций этанола 0.25, 0.5 и 1.0 мМ). При повышении концентрации спирта в пробе возрастает степень снижения уровня кислорода. При высокой концентрации (1 мМ) уровень кислорода в рецепторном элементе снижается практически до нуля.

в) Оценка действия целлюлозных ферментов. Для измерения активности целлюлаз, катализирующих разложение целлюлозы применяются амперометрические ИП с вращающимися платиновыми электродами, запаянными в стеклянную трубку (скорость вращения около 600 об/мин). При понижении вязкости растворов целлюлозных полимеров ток ИП увеличивается.

г) Амперометрия применяется также для измерения концентрации аминокислот.

Перекисный электрод.Возможно применение ион-селективного электрода для определения пероксида водорода. Такой метод чувствительнее в 100–1000 раз, чем применение кислородного электрода.

Можно выделить несколько причин применения перекисного электрода при конструировании биосенсоров. Перекись образуется в результате окисления органических соединений оксидазами, т.е. является продуктом реакции окисления. Первая причина состоит в том, что при прочих равных условиях измерение продукта реакции позволяет более корректно описать количественно процесс биохимического окисления с точки зрения выполнения дальнейшего анализа, чем регистрация потребления одного из реагентов процесса окисления (это положение является общей точкой зрения, вместе с тем, не бесспорной). В данном случае как контрпример подразумевается регистрация потребления кислорода, как одного из реагентов биохимической реакции. Вторая, существенная причина, состоит в том, что в различных образцах содержание кислорода может варьировать, что потенциально приводит к ошибкам измерения; с этой точки зрения более правильным является регистрация образующейся перекиси водорода. Далее, достаточно существенным аргументом в пользу применения перекисных электродов является то, что разработаны электроды, которые по конструкции в большинстве случаев значительно проще, чем кислородные. Так, суть перекисные электроды не требуют их заполнения электролитом, не требуют использования специальных мембран, т.е. для функционирования перекисного электрода наличие мембраны как таковой не требуется, если же на основе перекисного электрода формируют биосенсор, то на электроде размещают лишь мембрану, содержащую иммобилизованный биоматериал и ее назначением является фиксация биоматериала. Методическая сторона вопроса всегда является важной при создании сенсоров. В этой связи

Схематически вид перекисного электрода для регистрации реакции окисления глюкозы приведен на рис. ниже. Присутствующая в пробе глюкоза окисляется глюкозооксидазой. Продуктом реакции является глюконовая кислота и перекись водорода. Перекись детектируется электрохимически перекисным электродом. Количество образующейся перекиси пропорционально концентрации глюкозы, в связи с чем сигнал, генерируемый перекисным электродом, пропорционален концентрации глюкозы в образце.

Рис. Амперометрический биосенсор на основе перекисного электрода для регистрации глюкозы.

Рис. Схематическое представление электрода, изготовленного матричной печатью. 1 – измерительный электрод, формируется нанесением проводящего материала на диэлектрическую подложку и содержит иммобилизованный биоматериал (в качестве проводящего материала используется золото, платина, графит); 2 – электрод сравнения, Ag/AgCl электрод (площадь 1 мм2); 3 – вспомогательный электрод (Ag); 4 – контакты для подключения электрода в измерительную цепь.

Суммируя достоинства перекисного электрода, как преобразователя биосенсоров, отметим, что указанное связано с простотой метода встраивания фермента в электрод при его изготовлении, создании миниатюрных электродов, простотой конструкции и низкой стоимостью при изготовлении крупных партий.

Наряду с достоинствами способ регистрации биохимических реакций по детекции перекиси водорода имеет определенные недостатки. 1) В биологических препаратах присутствуют вещества, которые влияют на выход продукта реакции H₂О₂ (аскорбиновая кислота, мочевая кислота и т. п.). Для сведения к минимуму этого эффекта иногда мембранам электродов сообщают заряд, отталкивающий мешающие вещества. 2) Из-за отсутствия защитной мембраны электрода зачастую происходит загрязнение платины, из которой формируют измерительный перекисный электрод, что также снижает практическую ценность этого типа преобразователя.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Поляризационно-оптический метод исследования напряжений

Поляризационно-оптический метод исследования напряжений

модель загружена, изображение покрывается системой полос и отображается на экране, и анализ может проверить распределение напряжений в модели. Пучки естественного света имеют световые колебания во всех направлениях, перпендикулярных к лучу, которые, как известно, связаны с хаотической ориентацией источника света колебаний в излучателе света. Линейные колебания упорядочены. Поляризованный свет называется плоским. При возникновении вибрации на одной стороне, которая будет называться плоскостью поляризации. Чтобы получить его, естественный луч проходит через поляризатор. Они могут служить, например, призмой

Николаса, склеенной из кристаллов исландского лонжерона. Поляризатор Людмила Фирмаль

пропускает вибрацию в строго определенной плоскости, а перпендикулярная к ней составляющая вибрации гасится. Для риса. 137 схематически указывает положение основной части поляризатора с плоскостью поляризации света. Одной из основных частей поляризатора является поляризатор и анализатор. Анализатор имеет ту же призму, что и поляризатор, но плоскость их поляризации в рабочем положении повернута, как показано на рисунке. 137,6 A-A и P-P, соответственно, перпендикулярны друг другу. В этом случае лучи света, проходящие через поляризатор, гасятся анализатором, если

модель отсутствует или не загружена. Экран становится темнее. история * Эта позиция поляризатора и анализатора называется настройкой темноты. Оснащен плоской моделью, рассчитанной на 150 вещей. Рассмотрим, что происходит в поляризаторе, когда такая модель освещается пучком монохроматического света. Напомним, что монохроматический свет — это свет с определенной длиной волны X, которая соответствует цвету света. G — = — источник света » — —— поляризатор __ Рис 137А Луч света поляризован в плоскости P-p (рис. 138), который в каждой точке разделен на два луча на входе модели,

(т.е. вы можете добавить их соответствующие колебания, анализатор соединяет их в одной плоскости AA, затем Возможны помехи Людмила Фирмаль

световых лучей, которые вызывают оптические эффекты, видимые на экране. Давайте рассмотрим этот вопрос более подробно с количественной точки зрения. Для простоты, световые волны существуют как механические поперечные колебания, которые происходят по гармоническим законам. Тогда уравнение колебаний, соответствующее пучку, падающему на модель, равно * с разницей, а для контроля напряжение at можно рассчитать с использованием той же эквивалентности, что и в 5.16, S1 ^ ^ o-f ^^ d s xt (5.17) J P2 Broadcast Будет ли интеграция проходить по орбите А1? И olj0 — это напряжение, когда начинается

интеграция. В некоторых случаях может быть удобнее выполнять численное интегрирование вдоль линии, проведенной параллельно осям координат, а не вдоль траектории основного напряжения. Спроецируйте силу, действующую на затененный элемент по оси x (рис. 145, а) 6 Заказ № 1037 161. д

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Что такое поляризационное напряжение

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у разных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. Если кристалл имеет малые размеры, то он может состоять всего лишь из одного домена. Однако крупные образцы всегда разбиваются на множество доменов, поскольку однодоменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика.

В монокристалле относительная ориентация электрических моментов доменов определяется симметрией кристаллической решетки. Например, в тетрагональной модификации титаната бария (ВаТiO₃) возможны шесть направлений спонтанной поляризованности, антипараллельных или перпендикулярных друг другу. Соответственно для этого случая различают 180-градусные и 90-градусные доменные границы.

Рисунок 4.45 – Схема расположения доменов в кристалле титаната бария тетрагональной модификации

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч). Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции (электрического смещения) от напряженности электрического поля (рисунок 4.46). При воздействии слабого электрического поля связь между индукцией D и напряженностью Е носит приблизительно линейный характер (участок OA). На этом участке преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения, которое в монокристаллах соответствует однодоменному состоянию. Некоторое возрастание индукции в сегнетоэлектрике на участке технического насыщения обусловлено процессами индуцированной (т. е. электронной и ионной) поляризации. Ее роль усиливается с повышением температуры. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика (кривая заряда сегнетоэлектрического конденсатора). Она образуется как совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля.

Рисунок 4.46 – Основная кривая поляризации сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то индукция в ноль не обратится, а примет некоторое остаточное значение D_r. При воздействии полем противоположной полярности индукция быстро уменьшается и при некоторой напряженности поля изменяет свое направление. Дальнейшее увеличение напряженности поля вновь переводит образец в состояние технического насыщения (точка С). Отсюда следует, что переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Напряженность поля Е_с, при которой индукция проходит через ноль, называется коэрцитивной силой.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются весьма большим значением tgδ, который в типичных случаях принимает значение порядка 0,1.

Нелинейность поляризации по отношению к внешнему полю и наличие гистерезиса обусловливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы. Поэтому для характеристики свойств материала в различных условиях работы нелинейного элемента используются различные диэлектрические проницаемости: статическая, реверсивная, эффективная и др.

Статическая диэлектрическая проницаемость ε_ст определяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика:

(4.84)

Реверсивная диэлектрическая проницаемость ε_р характеризует изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля.

Эффективную диэлектрическую проницаемость ε_э, как и эффективную емкость конденсатора, определяют по действующему значению тока I (несинусоидального), проходящего в цепи с нелинейным элементом при заданном действующем напряжении с угловой частотой ω:

(4.85)

Диэлектрическую проницаемость, измеряемую в очень слабых электрических полях, называют начальной.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения.

Переход сегнетоэлектрика в параэлектрическое состояние сопровождается резким уменьшением tgδ, поскольку исчезают потери на гистерезис.

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрики принято подразделять на две группы – ионные и дипольные кристаллы.

У соединений первой группы характерным структурным элементом кристаллической решетки является кислородный октаэдр, благодаря чему эти материалы получили название сегнетоэлектриков кислородно-октаэдрического типа. К ионным сегнетоэлектрикам относятся титанат бария (ВаТiO₃), титанат свинца (PbTiО₃), ниобат калия (KNbО₃), ниобат лития (LiNbО₃), танталат лития (LiTaО₃), йодат калия (КIO₃) и др.

У кристаллов сегнетоэлектриков второй группы имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль (NaКС₄Н₄О₆·4Н₂О), дигидрофосфат калия (КН₂РО₄), нитрит натрия NaNО₂ и др. Именно в кристаллах сегнетовой соли впервые были обнаружены особенности в поведении диэлектриков, обусловленные спонтанной поляризацией. Отсюда произошло и название всей группы материалов со специфическими свойствами – сегнетоэлектрики.

Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Так, все соединения кислородно-октаэдрического типа нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Наоборот, дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малой механической прочностью. Например, растворимость сегнетовой соли в воде столь велика, что ее кристаллы можно распилить с помощью влажной нити. Благодаря высокой растворимости в воде можно легко вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов.

Подавляющее большинство сегнетоэлектриков первой группы имеет значительно более высокую температуру Кюри и большее значение спонтанной поляризованности, нежели сегнетоэлектрики второй группы. У значительной части дипольных сегнетоэлектриков точка Кюри лежит намного ниже комнатной температуры.

Рассмотрим более подробно механизм возникновения спонтанной поляризации на примере титаната бария (ВаТiO₃), который по своему техническому применению занимает ведущее место среди сегнетоэлектриков. При температуре выше 120 °С (точка Кюри) титанат бария обладает кристаллической структурой типа перовскит, показанной на рисунке 4.47,а. В состав элементарной ячейки, имеющей форму куба, входит одна формульная единица типа АВО₃. Основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани кубов, составленных из ионов бария.

Рисунок 4.47 – Механизм поляризации в титанате бария

Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах кислородного октаэдра.

При высокой температуре вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, так что его положение, усредненное во времени, совпадает с центром элементарной ячейки. Благодаря центральной симметрии такая ячейка не обладает электрическим моментом (рисунок 4.47, б).

При температуре ниже точки Кюри энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана из одного равновесного положения в другое, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородных ионов. В результате нарушается кубическая симметрия в расположении заряженных частиц, и элементарная ячейка приобретает электрический момент (рисунок 4.47,в). Одновременно с этим искажается форма ячейки – она вытягивается по направлению оси, проходящей через центры ионов кислорода и титана, сблизившихся между собой, принимая тетрагональную симметрию.

Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласованно, в одном направлении, а это, в свою очередь, приводит к образованию доменов. Фазовый переход в сегнетоэлектрическую фазу обусловлен смещением из симметричных положений не только ионов титана; существенный вклад в электрический момент каждой ячейки вносит и смещение кислородных ионов.

В некоторых кристаллах электрические моменты соседних элементарных ячеек за счет соответствующего смещения ионов или упорядочения дипольных моментов оказываются ориентированными во взаимно противоположных направлениях. Такие вещества с антипараллельными электрическими моментами называются антисегнетоэлектриками. Они также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена равна нулю. В параэлектрической фазе (т.е. выше температуры Кюри) антисегнетоэлектрики могут обладать высокой диэлектрической проницаемостью. Примерами антисегнетоэлектриков являются цирконат свинца (PbZrО₃), ниобат натрия NaNbО_3, дигидрофосфат аммония (NH₄H₂PО₄) и др.

Важнейшими направлениями технического применения сегнетоэлектриков являются следующие:

1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

3) использование сегнетоэлементов в качестве ячеек памяти;

4) использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

5) изготовление пьезо- и пироэлектрических преобразователей.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник