مقياس التوتر السطحي

يستخدم علماء الأسطح عادةً مقياس الزوايا /مقياس التوتر البصري لقياس التوتر السطحي والتوتر البيني للسوائل باستخدام طريقتي القطرة المعلقة أو الساكنة. تُنتج قطرة وتُلتقط باستخدام كاميرا CCD . ثم يُستخرج شكل القطرة، وتقوم برامج متطورة بمطابقة معادلة يونغ-لابلاس النظرية مع شكل القطرة التجريبي. بعد ذلك، يُمكن حساب التوتر السطحي من المعاملات المُطابقة. على عكس الطرق الأخرى، لا تتطلب هذه التقنية سوى كمية صغيرة من السائل، مما يجعلها مناسبة لقياس التوترات البينية للسوائل باهظة الثمن. ^{[ 1 ]}

يستخدم هذا النوع من أجهزة قياس التوتر السطحي حلقة من البلاتين مغمورة في سائل. وعند سحب الحلقة من السائل، تُقاس القوة المطلوبة بدقة لتحديد التوتر السطحي للسائل.

هذه الطريقة راسخة كما يتضح من عدد من المعايير الدولية المتعلقة بها مثل ASTM D971. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لقياس التوتر السطحي بين سائلين، ولكن يجب توخي الحذر لضمان عدم تشوه حلقة البلاتين.

يتطلب مقياس التوتر السطحي ذو صفيحة ويلهلمي وجود صفيحة ملامسة لسطح السائل. ويُعتبر على نطاق واسع أبسط الطرق وأكثرها دقة لقياس التوتر السطحي. وبفضل طول الجزء المبلل الكبير من صفيحة البلاتين، تكون قراءة التوتر السطحي مستقرة للغاية مقارنةً بالطرق الأخرى. ومن المزايا الإضافية، إمكانية تصنيع صفيحة ويلهلمي من الورق للاستخدام لمرة واحدة. أما في قياسات التوتر البيني، فيجب مراعاة طفو المسبار، مما يُعقّد عملية القياس.

تعتمد هذه الطريقة على استخدام قضيب يُغمر في سائل الاختبار، ثم يُسحب منه، ويُقاس بدقة مقدار القوة اللازمة لسحبه. هذه الطريقة غير موحدة، ولكنها تُستخدم أحيانًا. يتميز جهاز قياس التوتر السطحي Du Noüy-Padday بسرعة القياسات، ويعمل مع سوائل ذات لزوجة متنوعة. مع ذلك، لا يمكن قياس التوتر السطحي بين الأسطح.

بسبب قوى التجاذب الداخلية للسائل، تنضغط فقاعات الهواء داخله. ويرتفع الضغط الناتج (ضغط الفقاعة) مع تناقص نصف قطر الفقاعة. تعتمد طريقة ضغط الفقاعة على هذا الضغط، الذي يكون أعلى من الضغط في البيئة المحيطة (الماء). يُضخ تيار من الغاز في أنبوب شعري مغمور في سائل. تكبر مساحة سطح الفقاعة المتكونة عند طرف الأنبوب الشعري باستمرار، وبالتالي يتناقص نصف قطرها.

يرتفع الضغط إلى أقصى مستوى له. عند هذه النقطة، تصل الفقاعة إلى أصغر نصف قطر لها (نصف قطر الشعيرة الدموية) وتبدأ في تشكيل نصف كرة. بعد هذه النقطة، يزداد حجم الفقاعة بسرعة ثم تنفجر، ممزقةً نفسها من الشعيرة الدموية، مما يسمح بتكوّن فقاعة جديدة عند طرفها. خلال هذه العملية، يتشكل نمط ضغط مميز (انظر الصورة)، والذي يُستخدم لتحديد التوتر السطحي.

نظراً لسهولة التعامل مع الأنابيب الشعرية وانخفاض جهد التنظيف المطلوب، فإن مقاييس التوتر السطحي للفقاعات تعتبر بديلاً شائعاً لمراقبة تركيز المنظفات في عمليات التنظيف أو الطلاء الكهربائي.