Реферат на тему проводимость

Обновлено: 05.07.2024

В исследовательской работе выявляли определение электропроводности предметов. Проведен эксперимент.

Вложение	Размер
opredelenie_elektroprovodnosti_predmetov_issledovatelskaya_rabota_ivanov.docx	27.5 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №35

Научно-исследовательская работа на тему:

В современном мире существует много электроприборов, электрический ток используется повсюду. Почти с самого рождения детей учат правилам безопасности, чтобы уберечь себя от удара электрическим током.

Поэтому важно знать, что существуют материалы, которые проводят электрический ток, и те, которые его не проводят.

Данная исследовательская работа проведена для того, чтобы определить какие материалы являются проводниками, а какие - диэлектриками. Для этого собрано простое устройство, которое работает от батарейки. Поэтому его использование безопасно.

Целью данной работы является исследование электропроводности различных материалов.

Гипотеза : при небольшой помощи взрослых ребенок может создать безопасное устройство для определения электропроводности предметов.

Были поставлены следующие задачи :

Выяснить, что такое электропроводность.
Сделать устройство для определения электропроводности материалов.
Среди предметов, используемых каждый день, найти проводники и изоляторы.

Для достижения цели работы и выполнения поставленных задач были применены следующие методы: изучение литературы, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ полученных данных.

Электропроводность – это способность материалов проводить электрический ток.

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Проводники – это материалы, которые проводят электрический ток, а диэлектрики – это материалы, которые его не проводят. Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами.

В проводнике содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.

Проводящими электрический ток веществами являются металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока.

Диэлектрик не содержит внутри свободные электрические заряды. В изоляторах электрический ток невозможен.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.

Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.

Впервые провел исследование проводимости диэлектриков Кулон. Он показал, что любой изолятор обладает малой, определенной для каждого вещества электропроводимостью. Одновременно с Кулоном исследованием электропроводимости веществ занимался Кавендиш. В его записках, относящихся к 1775 г., найдены уже сравнительные численные результаты. Так, например, Кавендиш установил, что железная проволока проводит ток лучше, чем дистиллированная вода. Интересно, что роль измерительного прибора при этом играло физиологическое ощущение тока.

Английский физико-химик Гемфри Дэви в 1821 г. установил, что проводимость металлических проводников уменьшается при их нагревании. Таким образом была впервые установлена зависимость проводимости от температуры.

Так же исследования электропроводимости провел Фарадей в 1833 г. Он показал, что все вещества в большей или меньшей степени проводят ток, поэтому абсолютной изоляции не существует. В результате многочисленных опытов Фарадей установил, что проводимость диэлектриков растет при нагревании, а при переходе через точку плавления все твердые диэлектрики становятся проводниками.

Английский ученый Гаррис в 1834 г. показал, что проводимость воздуха не изменяется при нагревании.

Изучение проводимости металлов стало важной технической проблемой в связи с развитием мировой системы телеграфной связи. Естественно возник вопрос об увеличении проводимости металлов. Физическая теория не давала ответа на этот вопрос, ибо был неизвестен механизм электропроводимости. В конце XIX в., после открытия электрона, начала развиваться электронная теория проводимости. Начало теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде.

Для определения электропроводности материалов я решил сделать робота из картона, проволоки и светодиода. Внутри робота будет спрятана батарейка, подключенная к светодиоду и антенкам из проволоки.

Для сборки корпуса робота я распечатал на картоне шаблоны из интернета и вырезал их (см. Приложение 1).

Затем приступил к сборке. В голове робота я сделал несколько отверстий и вставил туда светодиод и антенны из проволоки. Закрепил их при помощи клеевого пистолета (см. Приложение 2).

Для соединения батарейки, антенн и светодиода проводами я хотел использовать изоленту, но у меня не получилось надежное соединение, поэтому я попросил папу помочь мне с паяльником.

В результате мы соединили светодиод с батарейкой и с одной из антенн, вторая антенна была присоединена к батарейке (см. Приложение 3). Получилась электрическая цепь.

Затем я закончил сборку робота, спрятав внутри него батарейку и провода (см. Приложение 4).

Далее я приступил к исследованию электропроводности материалов. Что бы определить является предмет проводником или изолятором, я использовал антенны робота.

Если антеннами касаться предмета, проводящего электрический ток, электрическая цепь замыкается и светодиод загорается. Ток течет через светодиод, затем по проводу к проводнику, а от проводника – по другому проводу к батарейке.

Если антенны дотрагиваются до изолятора, то замкнутой цепи не получается, ток не течет, и светодиод не загорается.

Для исследования я использовал разные предметы, применяемые в обычной жизни: металлическую линейку, ножницы, карандаш, ручку, пластмассовую линейку и иглу для шитья.

Когда антенн касались ножницы, металлическая линейка и игла, светодиод загорался, электрическая цепь замыкалась. Значит эти предметы являются проводниками электрического тока. Когда для эксперимента я использовал карандаш, ручку и пластмассовую линейку, светодиод не загорался. Значит эти предметы являются изоляторами (см. Приложение 5).

В ходе исследования была достигнута цель работы, подтверждена гипотеза и выполнены поставленный задачи.

При небольшой помощи взрослого, я собрал робота, позволяющего безопасно определить электропроводность материалов.

На доступных предметах я провел эксперимент и выяснил какие предметы, используемые в обычной жизни, являются проводниками электрического тока, а какие – изоляторами.

Работа содержит 1 файл

жданова1223.doc

Электропроводность.

Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) — это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В системе СИ единицей измерения электрической проводимости является См. О способности отдельных веществ проводить электрический ток можно судить по их удельному электрическому сопротивлению ρ [Oм*м] . Для суждения об электропроводности материалов пользуются также понятием удельная электрическая проводимость

Удельная электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м).

Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

где γ — удельная проводимость,

J — вектор плотности тока,

E — вектор напряжённости электрического поля.

Электрическая проводимость G проводника может быть выражена следующими формулами:

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

где ρ - удельное сопротивление,
S - площадь поперечного сечения проводника,
l - длина проводника,
γ = 1/ρ - удельная проводимость,
U - напряжение на участке,
I - ток на участке.

Измеряется электрическая проводимость в сименсах: [G] = 1/1 Ом = 1 См.

В веществах имеется два типа носителей зарядов: электроны или ионы. Движение этих зарядов создает электрический ток.

Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Вода. Лед. Пар.

Вода (оксид водорода)— химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии вода называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, – по одному ядру водорода.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. Лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру.

Водяной пар — газообразное состояние воды в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами. Он не имеет цвета, вкуса и запаха, образуется молекулами воды при ее испарении. Пар характеризуется очень слабыми связями между молекулами воды, а также их большой подвижностью. Его частицы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Свойства насыщенного пара (плотность, удельная теплоемкость и др.) определяются только давлением.

Электрическая проводимость воды

Концентрация ионов это первый фактор, влияющий на проводимость. Если при растворении не происходит диссоциации молекул, то раствор не является проводником электричества.

Остальные факторы: заряд иона (ион с зарядом +3 переносит в три раза больше ток, чем с зарядом +1); подвижность иона (тяжелые ионы движутся медленнее, чем легкие), а также температура. Раствор, проводящий электрический ток, называется электролитом.

Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление, а значит увеличивает ее удельную проводимость. Так, у дистиллированной воды оно составляет примерно 10ˉ 5 См/м, а у морской — порядка 3,33 См/м (для сравнения: бумага — 10ˉ 15 , медь — 0,5·10 8 См/м). Электрическая проводимость воды может служить показателем ее загрязнения.

Электропроводность льда

Электрическая проводимость льда весьма мала и во много раз меньше электрической проводимости воды, особенно если вода хотя бы немного минерализована. Например, удельная электропроводность пресноводного льда при температуре 0°С равна 0,27·10ˉ 7 См/м, а при -20°С равна 0,52·10ˉ 7 См/м, тогда как дистиллированная вода, из которой был получен этот лед, имела проводимость порядка 10ˉ 6 См/м.

Сухой снег, прежде всего, характеризуется малой электрической проводимостью, что позволяет располагать на его поверхности даже не изолированные провода. Его проводимость при температуре от -2 до -16 °С примерно 0,35*10ˉ 5 — 0,38·10ˉ 7 См/м и близка к удельной проводимости сухого льда. Влажный снег, напротив, обладает большой электрической проводимостью доходящей до 0,1 См/м.

Повысить проводимость льда можно при помощи минерализации (насыщения ионами) исходной воды кислотами, солями и основаниями. Тогда ионы будут оттягивать на себя электроны от соседнего атома, а те в свою очередь становиться ионами. Так, путем последовательного оттягивания будет перемещаться положительный заряд.

Проводимость водяного пара

Сам по себе пар, являясь газом в котором отсутствуют заряженные частицы и не является проводником электричества. Однако, повысить проводимость можно, если создать в нем заряженные частицы – молекулы, под воздействием различных внешних взаимодействий. Наибольшее влияние оказывают такие внешние агенты как рентгеновские лучи, лучи радия, сильный нагрев газа. Вызывают ионизацию, например приборы, называемые ионизаторами.

Механизм ионизации в газах заключается в следующем: нейтральные атомы и молекулы содержат одинаковое количество положительного электричества в виде центральных ядер и отрицательного – в виде электронов, окружающих эти ядра. Под воздействием различных причин электрон может быть вырван, и молекула, которая остаётся, приобретает положительный заряд. А вырванный электрон не остаётся свободным, он захватывается одной или несколькими нейтральными молекулами и сообщает им отрицательный заряд. В итоге получается пара противоположно заряженных ионов. Для того, чтобы электрон оторвался от атома ему необходимо затратить определённую энергию – энергию ионизации. Эта энергия различна для разных веществ и зависит от строения атома.

Каждый молекулярный ион, который образовался, притягивает нейтральные молекулы, и тем самым образует целый ионный комплекс. Ионы противоположных знаков, при столкновении друг с другом, нейтрализуют друг друга, в результате чего опять получаются исходные нейтральные молекулы –такой процесс называется рекомбинацией. При рекомбинации электрона и положительного иона высвобождается определённая энергия, которая равна энергии, затраченной на ионизацию.

После того, как прекращается действие ионизатора количество ионов в газе с течением времени становится всё меньше, и в конце концов практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что электроны и ионы принимают участие в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. В результате столкновения электрона и положительного иона они воссоединяются в нейтральный атом. А когда сталкиваются положительный и отрицательные ионы, последний в свою очередь может отдать положительному иону свой собственный избыточный электрон и оба иона станут нейтральными молекулами.

Из этого следует, что проводимость пара — явление временное. Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Глава 1. Откуда берётся электрический ток в жидкостях………………………. 4

Глава 2. Исследовательская часть…………………………………………………..6

2.1 Сборка цепи для расчета сопротивления жидкости …………………………..6

2.2 Жидкости, используемые в опытах и вольт-амперные характеристики………………………. …………………………………………….7

На уроках физики в восьмом классе, начиная изучать электрический ток, нам рассказывали о том, как измерить в металлах силу тока, напряжение и сопротивление, как рассчитывать удельное сопротивление металлических проводников. А на мой вопрос о том, как рассчитать удельное сопротивление жидкостей, учитель ответил, что есть специальное оборудование, датчики, с помощью которых и определяется проводимость жидкостей, но есть и другой способ, не требующий такого оборудования. С этого и началась моя исследовательская работа.

Целью работы является – собрать установку, с помощью которой мы сможем найти удельное электрическое сопротивление жидкостей.

Собрать установку для определения электропроводимости жидкостей;

Найти электрическое сопротивление жидкостей и растворов поваренной соли ( NaCl );

Построить вольт-амперные характеристики растворов разной концентрации;

Сравнить электрическое сопротивление в разных жидкостях и растворах.

Глава 1. Откуда берётся электрический ток в жидкостях.

Вернёмся к причине возникновения электрического тока в жидкостях. В веществах имеется два типа носителей зарядов: электроны или ионы. Движение этих зарядов и создает электрический ток. Для жидкостей характерна ионная проводимость. Ионы при растворении вещества появляются из-за того, что ещё до растворения у многих молекул одна часть обладает избыточным числом электронов, а в другой части их не хватает. Такая молекула, бывшая до растворения электрически нейтральной, при растворении диссоциирует (распадается) на два иона, заряженные равными по модулю, но противоположными по знаку зарядами. Способствуют этому процессу, названному электролитической диссоциацией , полярные молекулы растворителя (например, воды), разрывающие на части (ионы) молекулы растворённого вещества.

Положительные и отрицательные ионы в электролите могут перемещаться независимо друг от друга, участвуя в тепловом движении (рис.1,а). Однако при таком беспорядочном движении ионов ток через электролит остаётся равным нулю. Для пропускания тока через электролит в него погружают проводники (рис.1,б), которые называют электродами, создавая с их помощью в электролите электрическое поле. При этом положительный электрод называют анодом , а отрицательный – катодом . Когда между электродами возникает разность потенциалов, движение ионов становится упорядоченным: отрицательные ионы движутся к аноду, а положительные – к катоду.

В отличие от электронной, ионная проводимость сопровождается, переносом вещества (ионов). Соприкасаясь с катодом, положительные ионы получают от него недостающие электроны и становятся электрически нейтральными. При соприкосновении отрицательных ионов с анодом они теряют лишние электроны и тоже становятся нейтральными атомами или молекулами. Таким образом, ток, проходя через электролит, приводит к выделению на электродах веществ, входящих в состав электролита. Это явление и сопровождающий его процесс разложения электролита при пропускании электрического тока называют электролизом.

Глава 2. Исследовательская часть

2.1. Сборка цепи для расчета сопротивления жидкости

Нам известна установка, главной функциональной частью которой является струя, проводящая электрический ток и служащей токопроводящем каналом. Эффективность передачи электрического тока по данному каналу зависит от нескольких факторов, таких как: электропроводящие свойства жидкости, используемой нами в опытах; напряжение, приложенное к струе жидкости; геометрические параметры струи (диаметр и длина струи). Поэтому целесообразным представляется определение путём экспериментов электрических параметров отдельно взятого участка струи жидкости. Для наглядности опыта проведения измерений электрическая схема замещения эксперимента, представленная на рис.2.

Струя представлена на схеме элементом электрической цепи R . В реальности он представляет собой струю длиной 0,25 метров, которая истекает с постоянной скоростью (примерно 3 м/с) из алюминиевой воронки и, пройдя данное расстояние, протекает через медное сито, попадая в сосуд, где вода и накапливается. Воронка с внутренним диаметром примерно в 5 миллиметров и сито являются электродами, обеспечивающими электрический контакт между струёй жидкости и токонесущими проводами. Электроды надёжно закреплены на штативе при помощи держателей (диэлектрических). Направление тока в электрической цепи совпадает с направлением движения струи жидкости (приложение 1).

2.2 Жидкости, используемые в опытах

Для проведения исследований был выбран раствор солей в воде, водопроводная вода. После приготовления раствор подвергался фильтрации через бумажный фильтр. Определение исходной концентрации раствора проводилось на основе данных о плотности водного раствора поваренной соли при различных солевых концентрациях.

Температура раствора во время измерений составляла примерно 26 о С. Температура окружающей среды составила 24 о С.

Все электрические измерения проводились в условиях лаборатории. Все лабораторные приборы для измерений имеют срок проверки на время проведения измерений.

Для проведения измерений собиралась электрическая цепь (рис.2). Затем были проведены измерения зависимости электрической силы тока в цепи от напряжения при различных концентрациях соляного раствора, то есть, по существу, были сняты вольт-амперные характеристики, отображённые на рисунках 3, 4, 5. Ещё следует сказать, что при измерениях и расчётах не были учтены сопротивления соединительных проводов и переходных контактов, потому что их суммарное сопротивление намного меньше, чем сопротивление участка струи.

В дополнение к рисунку 5 стоит добавить, что линия с маркером, ромба, соответствующая концентрации соляного раствора в 281 г/л, идёт выше остальных линий, которые соответствуют 292 г/л и 299 г/л.

Далее по полученным данным были рассчитаны значения удельной электропроводности для данного участка струи, они рассчитывались по данной формуле:

где ρ – удельное сопротивление участка струи, .

В свою очередь удельное сопротивление находилось по следующей формуле:

где S – площадь поперечного сечения струи жидкости, м 2 ;

l – длина струи, м ;

R = – сопротивление струи, Ом.

Исходя из рассчитанных данных, был построен график зависимости удельной электропроводности участка струи жидкости от концентрации раствора при напряжении равному 30 В, приведённый ниже (рис.6).

Графики (рис. 3-5) показывают, что с увеличением концентрации раствора ток в цепи тоже растет. С повышением концентрации раствора вольт-амперная характеристика становится более крутой, т.е. увеличивается условный угол наклона касательной к горизонтальной оси. В данном случае, касательная совпадает с линией, представляющей вольт-амперную характеристику. Это означает, что сопротивление струи падает, что подтверждает также график на рис. 6. Однако чем ближе становится концентрация к пределу растворимости поваренной соли в воде (35 г на 100 мл воды), тем больше в характеристиках заметно замедление изменения сопротивления струи в меньшую сторону, и после определенного значения концентрации, сопротивление не снижается. Это видно на графике рис.6.

Понятие электрической проводимости.

Все проводники, существующие в природе, в зависимости от механизма переноса электричества при прохождении через них электрического тока можно разделить на три класса: электронные, ионные и смешанные.

К классу электронных проводников, в которых переносчиками электрических зарядов являются электроны, относятся металлы, полупроводники, большинство металлических сплавов, углерод и некоторые твёрдые соли и окислы.

В класс ионных проводников входят газы и электролиты, в которых переносчиками электрических зарядов являются ионы и прохождение тока сопровождается переносом вещества.
[sms]Изоляционные свойства материалов характеризуются электрическим сопротивлением и пробивным напряжением. Электрическое сопротивление жидкости определяет силу тока, проходящего по ней при заданном напряжении. Величина, обратная сопротивлению, называется объёмной электрической проводимостью.

Класс смешанных проводников состоит из веществ, обладающих частично электронной и частично ионной проводимостью. К ним относятся, например, растворы щелочных и щелочноземельных металлов в жидком аммиаке, некоторые жидкие сплавы и соли, характер проводимости которых меняется в определённом интервале температур, и другие вещества.

Область измерения электропроводности электролитов как одна из областей электрохимических измерений охватывает классы ионных и смешанных проводников. К ним относятся следующие типы веществ:

чистые вещества в твёрдом состоянии, в жидком состоянии, расплавленные соли и гидриды;
растворы одного или нескольких веществ в твёрдом состоянии, в расплаве, коллоидные и истинные жидкие водные и неводные растворы в неорганических и органических растворителях: окислов, солей кислот, оснований и некоторых элементарных веществ.
Измерительные методы классифицируются по большому количеству характеристик, в частности по роду контакта, по типу выходного сигнала, по характеру напряжения, применяемого для измерения.

В данном эксперименте использовался контактный метод измерения, который характеризуется тем, что в процессе измерения исследуемая магнитная жидкость находится в прямом гальваническом контакте с электродами измерительной ячейки. Однако, хотя они и дают возможность производить точные измерения, но не свободны от погрешностей, обусловленных в частности, в большей или в меньшей степени поляризационными явлениями на электродах. Даже использование мостового метода переменного тока, который обладает высокой точностью измерений и даёт возможность получать непосредственный отсчёт измеряемой величины, при измерении концентрированных растворов появляется погрешность из-за наличия поляризационных явлений.

Эти поляризационные явления при переменном токе выражены в сотни раз слабее, чем при постоянном токе (этим и обусловлено использование переменного тока в эксперименте), и зависят от частоты и концентрации раствора, а также в значительной степени от материала электрода и состояния его поверхности. Несмотря на малую величину поляризации, при измерениях электропроводности она может внести погрешность в измеряемую величину.

Учёт возможных погрешностей при проведении измерений электрической проводимости.

Изучению поляризации растворов электролитов переменным током посвящено много экспериментальных и теоретических работ. Из их результатов можно сделать выводы:

при прохождении переменного тока через раствор в отдельных его точках происходят периодические изменения концентрации;
частота этих периодических изменений пропорциональна частоте переменного тока;
амплитуда периодических изменений концентрации уменьшается по мере удаления от поверхности электрода, причём такое уменьшение происходит быстрее с увеличением частоты и с уменьшением коэффициента диффузии потенциалопределяющих ионов.
Величина поляризационного сопротивления, а следовательно, и величина погрешности, которое вносится в измеряемое сопротивление или электрическую проводимость, зависят от большого числа различных параметров системы: материал электрода, состав и концентрация раствора, частота и другое. В некоторых случаях погрешность от поляризационного сопротивления достигает 20%.

Наименьшая погрешность наблюдается при измерении с платинными платинированными электродами, которая при частоте 3000 Гц равна погрешности измерения, и следовательно, этой величиной можно пренебречь. Теория явлений, происходящих на поверхности электрода при прохождении переменного тока, и связь этих явлений со свойствами активной поверхности и величиной поляризационного сопротивления ещё не разработана. На основании экспериментальных данных можно предполагать, что величина поляризационного сопротивления связана со строением кристаллической решётки материала электрода, адсорбционными свойствами его активной поверхности.

Состояние поверхности электрода в значительной степени влияет на величину импеданса. Для электродов, изготовленных из двух различных материалов, развитие истинной поверхности приводит к уменьшению поляризационных явлений. Это объясняется тем, что при увеличении истинной поверхности электрода снижается соответственно истинная плотность тока поляризации и, следовательно, поляризационный эффект.

Что касается частоты переменного тока, то многими исследователями было показано, что для обратимых электродов из различных материалов в водных растворах различных концентраций зависимость величины поляризационного сопротивления RS от частоты выражается формулой:

где η - константа. Из этого выражения следует, что RS уменьшается с повышением частоты и достигает незначительной величины при частоте выше 1 кГц. Это было учтено при проведении данного эксперимента. Использовалась частота 1 кГц.

Выше уже отмечалось, что погрешность, создаваемую поляризационным сопротивлением, при измерениях электропроводности можно значительно уменьшить, применяя платиновые электроды, покрытые платиновую чернью. Этот эффект впервые обнаружен Кольраушем, который рекомендовал проводить осаждение платиновой черни электролизом из раствора хлороплатината с добавлением следов ацетата свинца.

Таким образом, на основании изложенного выше, первым способом уменьшения или исключения погрешности ΔRS является применение платинирования. При этом необходимо учитывать, что платинированные электроды возможно применять только в тех случаях, когда измеряют электропроводность нейтральных и слабо разведённых растворов, имеющих концентрацию выше 0.01 н., если отсутствует опасность, что платиновая чернь будет катализатором нежелательной химической реакции в растворе.

Итак, когда есть условия для применения платинированных электродов, то при соответственном выборе степени платинирования и частоты погрешность, создаваемую поляризационным сопротивлением, можно уменьшить до такой величины, что даже при измерениях, производимых с самой высокой точностью, нет необходимости вводить поправку в результаты измерения на поляризационное сопротивление.

Однако, кроме погрешностей, создаваемых за счёт поляризационного эффекта, необходимо учитывать погрешности от теплового эффекта при протекании тока через ячейку и погрешность от паразитных токов. Для устранения данных видов погрешностей необходимо стремиться к уменьшению напряжения , приложенного к ячейке от источника, которое увеличивает тепловой эффект, также следует предельно сократить продолжительность времени отдельного измерения, нужно увеличить константу ячейки А, что достигается увеличением расстояния между электродами и уменьшением поперечного сечения сосуда. Увеличение объёма сосуда ячейки приводит к уменьшению погрешности измерения, так как для нагревания большого объёма электролита требуется длительное время.

Особенности измерения электрической проводимости.

В данном экспериментальном исследовании измерялась электрическая проводимость магнитной жидкости в зависимости от концентрации твёрдой фазы. Для этого использовалась двухэлектродные ячейки, одна из которых имеет электроды из гладкой платины, а другая из меди.

Для вычисления электропроводности магнитной жидкости необходимо знать константу ячейки А (м-1), которую невозможно определить прямым измерением длины сосуда и площади его поперечного сечения вследствие:

а) рассеивания силовых линий тока, которые не ограничиваются столбиком магнитной жидкости, находящейся точно между электродами;

б) невозможности выдержать точно параллельное расположение электродов и строго определённую их форму;

в) сложной формы стеклянного сосуда, ограничивающего распространение силовых линий тока.

На практике принято [Лопатин] для определения константы ячейки А применять стандартные водные растворы хлористого калия, величина электропроводности которых при различных температурах известна с большой точностью. После измерения сопротивления ячейки, заполненной раствором хлористого калия с известной величиной σ, из произведения А=σR легко вычисляется константа ячейки А.

При определении константы ячейки с применением стандартных растворов KCl, концентрация которых ниже 0.1 н., необходимо делать поправку на электропроводность воды, которая при 25˚С должна иметь величину, близкую к 1.1Ч 10-6 симЧ см-1. [/sms]

Читайте также: