Материал: Презентация УФЭ (10)

Функциональная электроника

Физические основы хемотронных устройств. Электрокапилярные явления

На границе соприкосновения трех фаз – жидкости, газа и твердого тела – наблюдаются явления, называемые смачиванием.

Свободная поверхность жидкости около твердой поверхности (мениск) искривляется. Явления смачивания характеризуются краевым углом Θ между смоченной поверхностью твердого тела и поверхностью жидкости.

Если 13 → 12, то Θ → 2. Жидкость имеет плоскую свободную поверхность.

16

Функциональная электроника

Физические основы хемотронных устройств. Электрокапилярные явления

В узких цилиндрических сосудах (капиллярах) радиуса , погруженных в жидкость, кривизна мениска весьма значительна.

Под действием возникающего при этом поверхностного давления

уровень жидкости в капилляре поднимается, если жидкость смачивающая,

уровень жидкости в капилляре, если жидкость несмачивающая.

Мениск в капилляре можно считать частью сферы радиуса = Θ .

Давление жидкости в капилляре отличается от давления соприкасающегося с ним воздуха, согласно формуле Лапласа, на величину

∆ = 2 = 2 Θ .

Эта разность давления уравновешивается весом жидкости , где – плотность жидкости, – ускорение силы тяжести, – высота столба жидкости в капилляре.

Отсюда можно определить высоту поднятия или опускания жидкости в капилляре

= 2 Θ .

17

Функциональная электроника

Хемотронные устройства 1. Диффузионные хемотронные устройства

Работа диффузионных устройств полностью обусловлена изменением концентрации активных компонентов электролита в приэлектродных слоях электролита. Важную роль здесь играют процессы переноса вещества:

диффузия (процесс распространения частиц в направлении уменьшения их концентраций, обусловленный тепловым движением частиц и приводящий к выравниванию концентраций),

конвекция (перенос частиц с помощью перемещения самого электролита. При естественной конвекции электролит перемещается из-за различия температуры в разных участках и, следовательно, различной плотности. При вынужденной конвекции перемещение электролита связано с внешним воздействием),

миграция (перенос ионов под действием электрического поля, возникающего внутри электролита при приложении напряжения к электродам).

Вокислительно-восстановительных системах существуют и ионы, не участвующие в реакциях, но существенно увеличивающие проводимость электролита, так называемая индифферентная компонента. В связи с этим электрическое поле внутри электролита весьма слабое и

миграцией можно пренебречь.

Вобъеме электролита вдали от электродов главную роль в переносе ионов играет конвекция, а диффузия ионов, из-за малости градиента концентрации, незначительна. Вблизи электродов из-за наличия границы скорость перемешивания раствора путем конвекции резко падает, а диффузия существенно увеличивается, поскольку вблизи электрода резко изменяется концентрация ионов вследствие реакции, проходящей на электроде. Таким образом, влиянием конвекции в приэлектродном или диффузионном слое электролита можно пренебречь, и основным процессом переноса ионов к электродам считать диффузию.

Поскольку на практике диффузионные хемотронные устройства имеют малое межэлектродное расстояние, обычно меньше диффузионного слоя, то процесс диффузии 18 является основным во всем объеме устройства.

Функциональная электроника

Хемотронные устройства 1. Диффузионные хемотронные устройства

Рассмотрим работу простейшей обратимой окислительновосстановительной системы – плоской электрохимической ячейки, состоящей из двух плоских нейтральных электродов, погруженных в электролит. Размеры электродов значительно больше расстояния между ними.

Пусть в электролите имеются две активные компоненты1− 1 и 2− 2, участвующие в окислительновосстановительной обратимой реакции

1− 1 + ↔ 2− 2,

при этом 1 + = 2, где – валентность ионов, – число электронов, участвующих в реакции, – порядок реакции.

Например, отрицательно заряженные ионы трийодида у катода восстанавливаются до отрицательно заряженного иона йода

3− + 2 → 3−.

А приходящие к аноду отрицательно заряженные ионы йода окисляются до отрицательно заряженных ионов трийодида

3− − 2 → 3−.

19