Phénomènes électroacoustiques - Electroacoustic phenomena

Les phénomènes électroacoustiques surviennent lorsque les ultrasons se propagent à travers un fluide contenant des ions . Le mouvement des particules associé génère des signaux électriques car les ions ont une charge électrique . Ce couplage entre ultrasons et champ électrique est appelé phénomènes électroacoustiques. Le fluide peut être un simple liquide newtonien , ou une dispersion hétérogène complexe , une émulsion ou même un corps poreux. Il existe plusieurs effets électroacoustiques différents selon la nature du fluide.

• Courant et potentiel de vibration ionique (IVI), un signal électrique qui se produit lorsqu'une onde acoustique se propage à travers un fluide homogène .
• Courant et potentiel de vibration en continu (SVI), un signal électrique qui survient lorsqu'une onde acoustique se propage à travers un corps poreux dans lequel les pores sont remplis de fluide.
• Courant et potentiel de vibration colloïdale (CVI), un signal électrique qui survient lorsque les ultrasons se propagent à travers un fluide hétérogène , tel qu'une dispersion ou une émulsion .
• Amplitude sonique électrique (ESA), l'inverse de l'effet CVI, dans lequel un champ acoustique se produit lorsqu'un champ électrique se propage à travers un fluide hétérogène .

Courant de vibration ionique

Historiquement, l'IVI était le premier effet électroacoustique connu. Il a été prédit par Debye en 1933.

Courant de vibration en continu

Le courant de vibration en continu a été observé expérimentalement en 1948 par Williams. Un modèle théorique a été développé quelque 30 ans plus tard par Dukhin et d'autres. Cet effet ouvre une autre possibilité pour caractériser les propriétés électriques des surfaces dans les corps poreux. Un effet similaire peut être observé sur une surface non poreuse, lorsque le son est renvoyé à un angle oblique. Les ondes incidente et réfléchie se superposent pour provoquer un mouvement de fluide oscillatoire dans le plan de l'interface, générant ainsi un courant alternatif en continu à la fréquence des ondes sonores.

Compression double couche

La double couche électrique peut être considérée comme se comportant comme un condensateur à plaques parallèles avec un remplissage diélectrique compressible. Lorsque les ondes sonores induisent une variation de pression locale, l'espacement des plaques varie à la fréquence de l'excitation, générant un courant de déplacement alternatif normal à l'interface. Pour des raisons pratiques, ceci est le plus facilement observé sur une surface conductrice. Il est donc possible d'utiliser une électrode plongée dans un électrolyte conducteur comme microphone, voire comme haut-parleur lorsque l'effet est appliqué en sens inverse.

Potentiel et courant de vibration colloïdale

Le potentiel de vibration colloïdale mesure la différence de potentiel AC générée entre deux électrodes relaxées identiques, placées dans la dispersion, si celle-ci est soumise à un champ ultrasonique. Lorsqu'une onde sonore traverse une suspension colloïdale de particules dont la densité diffère de celle du milieu environnant, les forces d'inertie induites par la vibration de la suspension donnent lieu à un mouvement des particules chargées par rapport au liquide, provoquant une force électromotrice alternée. Les manifestations de cette force électromotrice peuvent être mesurées, en fonction de la relation entre l'impédance de la suspension et celle de l'instrument de mesure, soit sous forme de potentiel de vibration colloïdale, soit sous forme de courant de vibration colloïdale .

Le potentiel et le courant de vibration colloïdale ont été rapportés pour la première fois par Hermans, puis indépendamment par Rutgers en 1938. Il est largement utilisé pour caractériser le potentiel ζ de diverses dispersions et émulsions. L'effet, la théorie, la vérification expérimentale et les multiples applications sont discutés dans le livre de Dukhin et Goetz.

Amplitude sonore électrique

L'amplitude sonore électrique a été découverte expérimentalement par Cannon avec des co-auteurs au début des années 1980. Il est également largement utilisé pour caractériser le potentiel ζ dans les dispersions et les émulsions. Il y a une revue de cette théorie des effets, une vérification expérimentale et de multiples applications publiées par Hunter.

Théorie de CVI et ESA

En ce qui concerne la théorie de CVI et ESA, il y avait une observation importante faite par O'Brien, qui a lié ces paramètres mesurés avec la mobilité électrophorétique dynamique μ _d .

${\ displaystyle \ CVI (ESA) = A \ phi \ mu _ {d} {\ frac {\ rho _ {p} - \ rho _ {m}} {\ rho _ {m}}}}$

où

A est la constante d'étalonnage, en fonction de la fréquence, mais pas des propriétés des particules;

ρ _p est la densité des particules,

ρ _m densité du fluide,

φ est la fraction volumique de la phase dispersée,

La mobilité électrophorétique dynamique est similaire à la mobilité électrophorétique qui apparaît dans la théorie de l' électrophorèse . Ils sont identiques aux basses fréquences et / ou pour des particules suffisamment petites.

Il existe plusieurs théories de la mobilité électrophorétique dynamique. Leur aperçu est donné dans la Réf.5. Deux d'entre eux sont les plus importants.

Le premier correspond à la limite de Smoluchowski. Il donne une expression simple suivante pour CVI pour des particules suffisamment petites avec une dépendance de fréquence CVI négligeable:

${\ displaystyle \ CVI (ESA) = A \ phi {\ frac {\ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {m} \ zeta \ mathrm {K} _ {s}} {\ eta \ mathrm {K} _ { m}}} {\ frac {\ rho _ {p} - \ rho _ {s}} {\ rho _ {s}}}}$

où:

ε ₀ est la permittivité diélectrique sous vide,

ε _m est la permittivité diélectrique du fluide,

ζ est le potentiel électrocinétique

η est la viscosité dynamique du fluide,

K _s est la conductivité du système,

K _m est la conductivité du fluide,

ρ _s est la densité du système.

Cette équation remarquablement simple a le même large domaine d'applicabilité que l'équation de Smoluchowski pour l' électrophorèse . Il est indépendant de la forme des particules, de leur concentration.

La validité de cette équation est limitée par les deux exigences suivantes.

Premièrement, il n'est valable que pour une double couche mince , lorsque la longueur Debye est beaucoup plus petite que le rayon a de la particule:

${\ displaystyle {\ kappa} a >> 1}$

Deuxièmement, il néglige la contribution de la conductivité de surface . Cela suppose un petit nombre Dukhin :

${\ displaystyle Du << 1}$

La restriction de la double couche mince limite l'applicabilité de cette théorie de type Smoluchowski uniquement aux systèmes aqueux avec des particules suffisamment grandes et une force ionique pas très faible. Cette théorie ne fonctionne pas bien pour les nano-colloïdes, y compris les protéines et les polymères à faible force ionique. Elle n'est pas valable pour les fluides faibles ou non polaires.

Il existe une autre théorie applicable à l'autre cas extrême d'une double couche épaisse, lorsque

${\ displaystyle {\ kappa} a <1}$

Cette théorie prend en considération le chevauchement de double couche qui se produit inévitablement pour les systèmes concentrés à double couche épaisse. Cela permet l'introduction d'une approche dite "quasi homogène", lorsque des couches diffuses de particules superposées couvrent tout l'espace interparticulaire. La théorie se simplifie beaucoup dans ce cas extrême, comme l'ont montré Shilov et d'autres. Leur dérivation prédit que la densité de charge de surface σ est un meilleur paramètre que le potentiel ζ pour caractériser les phénomènes électroacoustiques dans de tels systèmes. Voici une expression de CVI simplifiée pour les petites particules:

${\ displaystyle \ CVI = A {\ frac {2 {\ sigma} a} {3 \ eta}} {\ frac {\ phi} {1- \ phi}} {\ frac {\ rho _ {p} - \ rho _ {s}} {\ rho _ {s}}}}$

Voir également

• Science des interfaces et des colloïdes

Références