Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

Устройства для визуальной индикаций и хранения электрической информации

Известно' множество визуальных индикаторов, чувстви­ тельных к электрическим импульсам, типа обычных теле­ визионных трубок. Такими визуальными индикаторами можно пользоваться при обычном свете благодаря яр­ кости светящегося изображения, образованного на обычном фосфоресцирующем экране. Экран обычно делается мато­ вым, чтобы нельзя было видеть сквозь него, и рассчитан на получение двухразмерного изображения (в прямоуголь­ ных координатах). Часто требуются визуальные индика­ торы для считывания информации при очень ярком свете. В таких случаях визуальный индикатор также должен быть прозрачным для нормального глаза и давать двух­ размерное изображение, как и в случае телеэкрана.

Часто бывает необходима трехразмерная визуальная индикация, например при контроле за перемещением самолета в городских районах; кроме двух координат, определяющих место самолета в плане, очень удобно видеть цифру, указывающую высоту. Обычно радарные индикаторы не отвечают этому требованию, так как они не дают третьей пространственной координаты. Трехко­ ординатный прозрачный экран нужен и при наблюдении за полетом управляемых ракет, при исследовании под­ земных пластов путем звукового обнаружения залежей полезных ископаемых и т. д.

На основе трехслойного прозрачного экрана, в котором цвет каждого слоя может изменяться под действием управ­ ляющего электрического сигнала, возможно создание электрически управляемого цветового фильтра. И, есте­ ственно, такие визуальные индикаторы, прозрачные в не­ возбужденном состоянии и окрашенные при воздействии электрического импульса, находят множество различных применений. Любые устройства, каким-либо видимым пу­ тем реагирующие на электрическое возбуждение, всегда чрезвычайно полезны.

Наряду с другими индикаторами разработан ряд уст­ ройств визуальной индикации и хранения электрической информации с использованием электрохимических ячеек. При этом для получения визуального изображения на экране при подаче электрических импульсов использова-

167

Лось множество ячеек ограниченной площади, в каждой из которых имели место определенные электрохимические явления. Однако на первых порах практическое примене­ ние таких устройств встретило большие затруднения. Электрохимические ячейки, составляющие устройство визуальной индикации, имели электроды из платины или из другого инертного материала; электролитом являлся 4%-ный раствор ионизированой соли типа сульфата нат­ рия, в который добавлялось несколько капель 1%-ного раствора фенолфталеина. При прохождении через ячейку тока она изменяла цвет. Недостатком таких электрочуьствительных индикаторов было протекание в них электрод­ ных реакций, связанных с -выделением газа, и это резко ослабляло изменение цвета и раствора, а иногда приво­ дило к разрушению самой ячейки.

В последние годы предложены надежные долгодей­ ствующие электрохимические ячейки, дающие четко визу­ альную индикацию в ответ на электрические сигналы. Ячейки изготовляются из бесцветных или прозрачных материалов, которые под действием электрических сиг­ налов становятся люминесцентными в видимом диапазоне спектра и флюоресцентными в ультрафиолетовом.

Принципы действия подобных электрохимических ячеек можно иллюстрировать следующим примером. Если в чистую воду, слегка подкисленную серной кислотой, погрузить платиновые электроды и пропустить через та­ кую ячейку постоянный ток, то около положительного электрода будет выделяться кислород, а около отрица­ тельного — водород, в результате чего образуется избы­ ток гидроксильных ионов около отрицательного и избы­ ток водородных ионов около положительного электрода. Накопление ионов около электродов приводит к смеще­ нию ионного разбаланса в окрестности электродов. В обыч­ ных электропроводных растворах область избытка ионов (гидроксильных или водородных) ограничена молекуляр­ ным слоем около поверхности электрода. Однако было об­ наружено, что при малом количестве ионизирующейся жидкости, достаточном лишь для создания минимальной электропроводности, зону ионного разбаланса около каждого электрода можно увеличить до величины, сущест­ венно превышающей размеры молекулы. Например, тол­ щина этой зоны может быть равна 0,16 см. Такую зону уже можно наблюдать визуально.

168

Подсчитана также минимальная концентрация хими­ ческих компонентов в растворителе (воде, спирте), при которой возможна видимая индикация зоны ионного раз­ баланса. В таких растворах обычные электролитические процессы осаждения или образования газовых пузырьков столь незначительны, что ими можно пренебречь. След­ ствием этого является и высокая стабильность работы при­ бора, так как разложения компонентов практически не происходит.

Далее любой состав, чувствительный к входному элек­ трическому сигналу и используемый или для визуальной индикации, или для хранения информации, или для того и другого вместе, мы будем называть электрофлором. СР — означает электрофлор, применяемый лишь в устрой­ ствах памяти; ВСР — электрофлор, пригодный и для ви­ зуальной индикации, и для устройств памяти.

Кислоты, основания или соли, входящие в состав электрофлоров, называют электрофлорными активаторами. Кх роль заключается в поставке в раствор носителей тока. На СР- и ВСР-электрофлоры оказывает существенное влияние ионизирующийся электрофлорный растворитель, функция которого состоит не только в растворении, но и в разбавлении электрофлорного активатора. В электрофлорной ячейке ВСР присутствует еще и электрофлорный индикатор.

В растворе с электрофлорным активатором он яв­ ляется компонентом, создающим визуальные цветовые изменения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах

тиваторами. Примером таких индикаторов являются натриевые соли нафтил-серных кислот.

Можно составить множество различных составов ВСРэлектрофлоров, но они все обязательно состоят из раство­ рителя, индикатора и активатора. Для ячейки СР электро­ флорного индикатора не требуется.

Электрофлорными растворителями могут быть неорга­ нические и органические вещества, хорошо растворяющие электрофлорные индикаторы и активаторы. Из неорга­ нических — это прежде всего вода, из органических — спирты, гликоли, гликольные эфиры. Органические раство­ рители используются в тех случаях, когда индикатор или аңтиватор не растворяется в воде или когда органиче­

16?

ский растворитель имеет более подходящие физические или химические свойства.

Общей чертой всех электрофлорных составов типа ВСР и СР является то, что они все имеют чрезвычайно малую концентрацию ионизирующегося материала — не более 0,05 % ь С увеличением концентрации такого ма­ териала электропроводность раствора хотя и возрастает, но начинаются электролитические реакции, вызывающие образование осадка или выделение газов. При правильном выборе концентрации ионизирующегося материала зона

Рис. 50. Электрохимическая ячейка для шізуалміоп [индика­ ции

ионного разбаланса около каждого электрода значительно увеличивается по толщине и при этом не возникает неже­ лательных электролитических эффектов.

На рис. 50 показана схема электрофлорной ячейки. Два электрода, соединенные через внешнюю цепь, погру­ жены в электрофлорные составы типа ВСР или СР. При наложении на ячейку малого напряжения, например 1,5 в, возле каждого электрода возникает значительный ион­ ный разбаланс. Около отрицательного электрода из ионов Н + образуются молекулы водорода, а следовательно, избыток ионов ОН- , а около положительного электрода ионы ОН" окисляются до молекул кислорода, тем самым создавая там избыток ионов Н +. Видимого выделения пузырьков кислорода или водорода ни на положительном, ни на отрицательном электроде ие наблюдается. Зоны ион­ ного разбаланса обозначены А и Б.

(70

Созданный ионный разбаланс можно рассматривать й как изменение pH, причем в рассматриваемом случае около положительного электрода pH будет меньше 7, а около отрицательного — больше 7. Если в составе элек­

взоне А достигнет 8,5, фенолфталеин примет характерный красный цвет и окрасит всю зону А. При наличии вход­ ного электрического сигнала интенсивность окраски с уве­ личением тока возрастает, очевидно из-за расширения зоны А.

Следует отметить, что раствор в ячейке может не только приобретать, но и терять окраску — из окрашенного становиться бесцветным. Это зависит от того, в какую сторону изменятся pH раствора. Например, при фенол­ фталеиновом индикаторе раствор будет красным при pH=8,5. При прохождении тока через ячейку pH раствора

взоне ионного разбаланса около положительного электрода сдвинется до 8,3, и раствор сделается бесцветным.

Образование пузырьков газа, происходящее у электро­ дов, сильно ослабляет цветовые изменения. Поэтому в об­ щем случае нет линейной зависимости интенсивности цве­ товых изменений от входного тока.

Оптимальная концентрация индикатора лежит в пре­ делах 0,01—0,05%. Уменьшать концентрацию индикатора ниже 0,01 % не рекомендуется, так как при этом проводи­ мость электрофлора резко падает и возникают трудности при формировании зоны ионного разбаланса. В частности, для формирования зоны в этом случае потребуется высо­ кое напряжение — порядка 20 в.

Иногда концентрацию индикатора повышают до 1 %. Но это уже предел, так как при концентрации выше 1% начинаются нежелательные электрофлорные реакции, нарушающие работу ячейки.

Зона цветовой индикации может быть получена и около отрицательного и около положительного электрода.

Цветовая окраска и место, где она возникает, зависят от природы электрофлорного индикатора. Существует большая группа электрофлорных индикаторов, приобре­ тающих при изменении pH цветную окраску, видимую при дневном свете: желтый индикатор — пара-нитро­ фенол и .мета-нитрофенол; фиолетовый — метилвиолет; красный — фенолфталеин; оранжевый — флокин; ярко­

171

розовый — эозин. Имеются электрофлорные индикаторы, изменяющие один видимый при дневном свете цвет на дру­ гой (например, тимол голубой из желтого переходит в голубой), индикаторы, переходящие из бесцветного

индикаторы, изменяющие один флюоресцирующий цвет на другой.

Иногда бывает удобно пользоваться не одним, а од­ новременно двумя или тремя индикаторами. Например, применяется комбинация красного индикатора, видимого при дневном свете, и флюоресцирующего голубого, види­ мого ночью. Тогда нужно комбинировать и электрофлорные растворители, например воду и спирт, из которых один растворяет красный индикатор, а другой — голубой.

Лучшими электрофлорными индикаторами считаются те, которые создают резкое цветовое изменение в узком диапазоне изменений pH. Цветовая зона при их исполь­ зовании образуется достаточно быстро и при малых вход­ ных токах. Время образования цветовой зоны такими электрофлорами может быть сокращено путем введения в раствор небольшого количества щелочи (например, 0,0003% NaOIi). Плохие электрофлорные индикаторы со­ здают цветовое изменение по краям шкалы pH, в пре­ делах рН = 0 —1 или 13—14. В этих случаях невозможно получить быстрый сдвиг в зоне ионного разбаланса с из­ менением цвета без побочных реакций осаждения и га­ зообразования. Добавка щелочного или кислого ионного вещества малоэффективна, так как требуемое количество этих реагентов слишком велико по сравнению с допус­ тимой концентрацией ионов. Например, добавка 1 % NaOH к электрофлорному раствору повышает pH до 12, но при этом общее количество ионизирующегося компонента ста­ новится столь большим, что возникающие электролити­ ческие эффекты заметно ослабляют окраску раствора.

При определении общей ионной концентрации электро­ флора необходимо учитывать каждый компонент, спо­ собный ионизироваться хотя бы в слабой степени. Ор­ ганические электрофлорные растворители, как правило, не ионизируются.

Все сказанное свидетельствует о том, что по своему составу электрофлоры могут быть очень разнообразными.

172