Классическая теория Гельмгольца

При рассмотрении электрокинетических явлений Гельмгольц исходил из следующих упрощающих предположений: двойной электрический слой можно представить в виде плоскопараллельного конденсатора, внутренняя обкладка которого образована зарядами твердого тела, внешняя зарядами, локализованными в жидкости; толщина этого конденсатора, имея размеры близкие к молекулярным, такова, что ДС включает несколько молекулярных слоев и он значительно меньше радиуса капилляра;

Слой молекул жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, при электрокинетических явлениях остается неподвижным, тогда как следующие слои сано обычными уравнениями гидродинамики; стенка является изолятором, а жидкость обладает свойством электролитической проводимости; задаваемая извне разность потенциалов суммируется как аддитивная величина с перепадом потенциала в двойном слое.

Это означает, что внешнее поле не деформирует ДС, не нарушает его равновесного строения, несмотря на то, что внешнее поле обеспечивает непрерывное перемещение заряженного слоя жидкости вдоль поверхности. Физическая предпосылка, оправдывающая эту идеализацию, состоит в следующем. Хотя внешнее поле непрерывно смещает ДС от строго равновесного состояния, взаимодействие между обкладками ДС столь велико, что равновесие в ДС успевает восстановиться.

Направление возникающего электрического поля при одном и том же направлении фильтрации жидкости для всех этих материалов совпадало. При изменении направления фильтрации изменялось и направление электрического поля.

Как и в случае электроосмоса, добавление кислот или солей уменьшало, а соответственно добавление дистиллированной воды или алкоголя увеличивало эффект. Было также установлено, что потенциал течения возникает лишь в присутствии диафрагмы и что он не зависит от размеров диафрагмы (ее сечения и толщины) и количества фильтруемой жидкости.

Как и в случае электроосмоса, была установлена линейная зависимость между объемной скоростью фильтрации и возникающей разностью потенциалов. Таким образом, характеристикой эффекта является отношение разности потенциалов к объемной скорости фильтрации. Эта характеристика в ряде исследованных Квинке материалов изменялась почти на три порядка.

Поскольку причиной электроосмоса является силовое воздействие электрического поля на заряженный слой жидкости, граничащий с поверхностью твердого тела, ясна принципиальная возможность наблюдения электроосмоса не только в случае пористой диафрагмы, но и в случае единичного капилляра. Между тем, последний случай представляется наиболее интересным, так как эффект здесь реализуется в наиболее простых условиях, что должно существенно облегчить создание количественной теории.

Действительно, открытие и исследование Квинке (1861) электроосмоса в единичном капилляре в дальнейшем стимулировало разработку теории электрокинетических явлений Гельмгольцем. В случае единичного капилляра методически более удобным оказалось изучение не собственно стационарного электроосмоса, а высоты электроосмотического подъема жидкости в наклонном капилляре, которую измеряли с высокой точностью с помощью микроскопа.
Читать далее

Вылет электронов из катода

На самом деле электроны вылетают из катода с самыми различными начальными скоростями, не равными нулю, и способны попадать на анод даже при небольших отрицательных потенциалах его, обуславливая появление участка характеристики. По этой же причине опытные характеристики при малых Ua в участке Ц идут выше теоретических.

Веерообразное расхождение восходящих участков характеристик объясняется неравномерным распределением температуры по катоду и, в частности, влиянием охлажденных концов его. При выводе закона трех вторых предполагалось, что катод имеет бесконечную длину и влияние концов не учитывалось. Реальные катоды в лампах имеют конечную длину и довольно сильно охлажденные концы за счет массивных токоподводящих электродов. Особенно сильно влияние охлажденных концов сказывается при малом накале катода, .когда общая температура его еще низка.

При этом рабочая (эффективная) длина катода оказывается значительно меньшей его геометрической длины, вследствие чего и эффективная поверхность анода, входящая в формулу закона трех вторых, сильно отличается от его геометрической поверхности.

С изменением температуря катода изменяется рабочая длина катода, а следовательно, и величина эффективной поверхности анода, т. е. изменяется значение коэффициента k, и величина анодного тока при одном и том же значении анодного напряжения Ua, но при различных накалах катода оказывается различной.

Следствием этого и является веерообразное расхождение восходящих участков опытных характеристик. Это расхождение уменьшается с повышением накала катода, так как при этом эффективная длина катода приближается к геометрической, и при достаточно высоком накале катода опытная и теоретическая характеристики почти совпадают.

Естественно, что при этом поверхность анода "бомбардируется" электронами очень неравномерно (в основном только на участках, расположенных непосредственно против катода) и действующая поверхность анода сильно отличается от его геометрической поверхности.

В этом случае следует считать величиной действующей поверхности анода площадь полосы на аноде, средней линией которой является проекция катода на анод, причем ширина полосы может быть принята равной удвоенному расстоянию от катода до анода (Уха). Под расстоянием от катода до анода подразумевается расстояние ха между анодом и плоскостью, в которой расположены нити катода.

Очевидно, что при плоской конструкции электродов величина действующей поверхности анода сильно зависит от формы катода, и чем ближе форма катода подходит к сплошной поверхности, тем точнее формула соответствует истине. При точных подсчетах по формуле закона трех вторых надо учесть еще влияние контактной разности потенциалов VK между анодом и катодом, которые изготовляются обычно из разных материалов.
Читать дальше...

Твердотельные перестраиваемые лазеры

Перестройка частоты (длины волны) излучения лазера может быть осуществлена в пределах контура спектральной линии люминесценции. Даже в лазерах на стекле с неодимом он не превышает нескольких ангстрем. Для создания перестраиваемых лазеров надо использовать активные материалы с широкими интенсивными полосами люминесценции.

Такая люминесценция возникает от центров, эффективно взаимодействующих с колебаниями решетки и обладающих энергетическими уровнями, уширенными кристаллическим полем матрицы. Очевидно, редкоземельные элементы с хорошо экранированной оболочкой для этой цели не подходят. Один из путей создания твердотельных перестраиваемых лазеров использование в качестве активаторов ионов с незаполненными 3d- и 4 -оболочками. В качестве примера такого лазера может служить лазер на александрите.

Примером таких центров могут служить так называемые центры окраски в ионных кристаллах, например, в щелочи о-галоидных кристаллах типа NaCl, L F и т. п. Эти центры образуются на базе собственных точечных дефектов кристалла. Разнообразные комплексы, образованные такими дефектами, способны создавать широкие полосы поглощения, придавая различную окраску бесцветным бездефектным кристаллам.

Обширный класс таких комплексов принято называть общим термином F-центры. Простейший дефект решетки (собственно центр) представляет собой анионную вакансию - отсутствие отрицательного иона в соответствующем узле кристаллической решетки. В ионных кристаллах такая вакансия действует как эффективный положительный заряд. Поэтому свободный электрон захватывается анионной вакансией так образуется простейший центр окраски.

Его можно рассматривать как глубокий центр с радиусом локализации порядка межатомного расстояния. Элементарные образования типа вакансия электрон в ионных кристаллах обладают склонностью образовывать комплексы в виде парных центров и центров окраски более высокого порядка. Получение центров нужного типа производится путем довольно сложной фотохимической и термической обработки. К сожалению, многие из таких центров характеризуются низкой термической и оптической стабильностью.

Поэтому хранить такие кристаллы и работать с ними бывает необходимо при температуре жидкого азота (77° К). Как и прочие глубокие центры, .F-центры сильно взаимодействуют с колебаниями решетки. Их спектры поглощения и люминесценции заметно уширены и между ними наблюдается большой стоксов сдвиг. Здесь показаны основное и первое возбужденное состояния центра, в которые осуществляется переход под действием излучения накачки. Для центра это переход между состояниями водородоподобного атома.

Однако собственно центры являются оптимальными для создания лазеров, поскольку для них наблюдаются существенные потери (мал квантовый выход), а сами центры нестабильны. Лучшие результаты получаются на F2t F2, F и некоторых других центрах окраски. Основное достоинство лазеров на центрах окраски возможность непрерывной перестройки частоты. Грубая перестройка частоты (длины волны) излучения осуществляется с помощью дисперсионной оптической системы, состоящей из призмы или решетки, аналогично жидкостным лазерам.
Читать статью