Бесплатный фрагмент - Изучение электрических характеристик водных растворов электролитов

Полный текст исследования

Введение

Физика, как наука, многогранна. Она объединяет в себе такие важнейшие разделы как: механика, термодинамика, электродинамика, электростатика, магнетизм, молекулярно-кинетическая теория, сопротивление материалов, астрофизика и многие другие. Также, она, сочетаясь с другими фундаментальными науками, образует смежные области. Это, например: биофизика, биохимия, физическая химия. Последняя, заинтересовала нас более всего, а именно, ее подраздел, электрохимия.

Электрохимия — раздел физической химии, занимающийся изучением взаимных превращений электрической и химической энергии. Помимо работы гальванических элементов и процесса электролиза, она рассматривает электропроводность растворов.

Гипотеза работы звучит так: «Если верно утверждение, что растворы электролитов в воде при различных условиях проводят ток по разному, то на их основе возможно создать полноценный электрический прибор, элемент электрических цепей».

Цель работы — создать и проверить на предмет пригодности в различных областях электро- и радиотехники, ЖР.

Задачи:

Провести теоретический анализ источников информации;

Создать экспериментальную модель ЖР;

Создать РП ЖР;

Изучить пригодность ЖР к применению в радиотехнике.

Объект исследования: Резисторы, приборы для измерения частоты переменного тока.

Предмет исследования: Электрические проводники второго рода.

Методы исследования: Теоретический анализ источников, эксперимент.

Глава I. Литературный обзор

Вводные сведения о проводимости растворов электролитов

С точки зрения классической электродинамики, все вещества делятся на три группы: диэлектрики, полупроводники и проводники. В последних, неизбежно появляется ток проводимости, при возникновении на их концах разности потенциалов. Под током проводимости понимают явление направленного, упорядоченного движения заряженных частиц. В зависимости их природы, проводник может быть проводником первого или второго рода.

В проводниках первого рода перенос заряда осуществляется за счет движения электронов. Это, главным образом, металлы и их сплавы.

Проводники второго рода характеризуются тем, что носителями заряда в них являются ионы. К ним относятся все растворы и расплавы электролитов.

Способность вещества (в т. ч. РЭ) проводить электрический ток количественно характеризуется величиной его электропроводности, которая обратна его электрическому сопротивлению.

L=1/R (1)

Как и для металлических проводников, для РЭ, справедлива формула:

R=ρ l/S (2)

где ρ — удельное электрическое сопротивление, зависящее от природы электролита, его концентрации в растворе, температуры раствора; l — расстояние между опущенными в однородный РЭ электродами; S — площадь поверхности электрода, помещенной в РЭ.

Исходя из (1) и (2), можно утверждать что, величина обратная ρ — удельная электропроводность κ может быть вычислена из равенства:

κ=1/ρ=L l/S (3)

Известно, что отношение l/S для каждого отдельного сосуда, в котором происходит измерение, является константой и различно для разных сосудов [1].

Общие сведения об электрических характеристиках растворов электролитов

Несмотря на тот факт, что в большинстве случаев, РЭ описываются только величинами, вычисляемыми по формулам (1), (2) и (3), научный интерес представляет вычисление прочих характеристик РЭ, или нахождение законов по которым они изменяют свои значения для разных РЭ в зависимости от концентрации и температуры. Это, например, зависимость κ от температуры, температурный коэффициент удельного сопротивления, если таковой может существовать у РЭ.

В работе [2] говорится что, РЭ обладают также и диэлектрическими свойствами, она посвящена выведению формул для вычисления таких величин как, динамический коэффициент диэлектрической проницаемости ε1 (ω) и динамический коэффициент диэлектрических потерь ε2 (ω). Их численные значения являются, соответственно действительной и мнимой частями комплексного значения коэффициента диэлектрической проницаемости ε (ω):

ε (ω) = ε1 (ω) + iε2 (ω) (4)

где, ω — угловая частота электрического тока, протекающего через РЭ. Из (4) видно, что коэффициент диэлектрической проницаемости РЭ зависит от частоты тока. ε (ω) для РЭ имеет, по мнению авторов, комплексное числовое значение в том случае, если электрическое поле E (t), действующее на него, изменяется периодически со временем. Также приводится формула:

ε (ω) = ε∞ + iκ (ω) / (ε0ω) (5)

где, ε∞ — значение коэффициента диэлектрической проницаемости РЭ при высоких частотах тока, κ (ω) — значение удельной электропроводности РЭ при определенной частоте ω. По математическому свойству комплексных чисел, (4) и (5) можно преобразовать в равенства:

ε1 (ω) = ε∞ (6)

ε2 (ω) = (κ (ω)) / (ε0 ω) (7)

Из (7) следует, что экспериментально получив значение κ (ω) и ω, зная константу ε0, можно поучить значение динамического коэффициента диэлектрических потерь.

Формула (6) справедлива, как отмечают авторы, только при высокой частоте переменного тока, проходящего через РЭ.

В книге [3] показано на примере концентрированного раствора NaCl в воде, что диэлектрические параметры РЭ можно описать и с помощью т. н. релаксационной модели Коула. Такое представление диэлектрических параметров, несомненно, представляет огромный научный и практический интерес, однако оно довольно сложно и его использование в настоящей работе необоснованно.

В статье [4] показано, что диэлектрические характеристики РЭ можно описать гораздо более простыми математическими выражениями, кроме того, связать их с эквивалентной и удельной проводимостью. Например, выведена формула описывающая соотношение удельной электропроводности РЭ, его коэффициента диэлектрической проницаемости, вязкости растворителя и его температуры:

λη/εT=K=const

Физический смысл коэффициента К описать, по мнению авторов, невозможно, его численное значение выводится экспериментально для каждого отдельного РЭ. Кроме того, приводится выражение, позволяющее вычислить удельную электропроводность растворов электролитов в полярных растворителях при высоких частотах:

κ∞= (ε0 ε) / τ

где, τ — время дипольной диэлектрической релаксации, которое можно вывести из уравнения Дебая:

τ = (4πa^3 η) / kT (8)

Соответственно, легко выводится формула:

κ∞= (ε0 εkT) / (4πa^3 η) (9)

Здесь а — средний диаметр молекул системы. В случае РЭ, логично предположить, что можно использовать формулу:

a = Xj1 a1 + Xj2 a2 (10)

где, Xj1 и Xj2 — соответственно, мольные доли электролита и растворителя в РЭ; а1 и а2 — соответственно, диаметры молекул электролита и растворителя в РЭ.

Следует отметить, что удельная электропроводность РЭ зависит от многих условий. Она может меняться в зависимости от температуры раствора, растворителя, электролита и других факторов, среди которых и частота приложенного к РЭ переменного напряжения. Удельная электропроводность РЭ увеличивается с увеличением частоты протекающего через него переменного тока [5]. Такое явление называется эффектом Дебая — Фалькенгагена или дисперсией электропроводности.

В работе часто упоминалось выражение «высокие частоты», при которых удельная электропроводность и коэффициент диэлектрической проницаемости принимают предельные значения. Согласно [6], такими частотами для разных РЭ могут быть частоты, удовлетворяющие неравенству:

ω> 2π/τ (11)

где, τ выводится из (8), ω — циклическая частота, вычисляется из равенства ω=2πf, f — частота переменного тока.

Общие сведения о резисторах

Согласно ГОСТ 19880—74, резистор — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления. [7] дает определение их видов, [8] описывает максимально возможные отклонения номинального сопротивления резисторов от действительного.

Выводы к главе

Проведя теоретический анализ учебной литературы, межгосударственных стандартов, научных докладов и статей, сделали следующие выводы:

1. Под действием переменного тока численное значение коэффициента диэлектрической проницаемости становится комплексным, но при высоких, для данного РЭ частотах, его значение становится действительным, динамический коэффициент диэлектрических потерь стремится к нулю.

2. Удельная электрическая проводимость РЭ зависит от множества факторов, в том числе и частота, протекающего через него тока, чем она больше, тем меньше электрическое сопротивление раствора. Это явление названо эффектом Дебая — Фалькенгагена.

3. Высокими для данного РЭ считаются частоты, удовлетворяющие равенству (11).

4. Резисторы — класс компонентов электрической цепи, параметры которого, в современном мире, должны быть регламентированы и подчиняться стандартам.

Глава II. Экспериментальная часть

Измерение электрического сопротивления некоторых электролитов (T≈292 К)

Для накопления практических данных о проводимости РЭ при различных концентрациях, для выведения возможной зависимости удельной электропроводности РЭ от его концентрации, провели измерения их электрического сопротивления.

Измерения проводились путем снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ) РЭ при фиксированном напряжении 12,06 В и переменном токе частотой 50,00 Гц.

Электрическая схема установки для таких измерений представлена на рис. 1.

Представляет собой герметично закрытую с обоих концов стеклянную трубку с двумя отводами. Через отверстия в пробках к, находящемуся в сосуде РЭ подводятся углеродные электроды. Схематичное изображение сосуда представлено на рис. 2.

Резиновые пробки с электродами вставлены в торцы трубки и их вынимание не предусмотрено. Заполнение, опорожнение сосуда происходит через отводы. Путем доведения высоты столба жидкости в трубках-отводах до риски, достигали заполнения трубки, находящейся в горизонтальном положении, заданным объемом РЭ. Для данного сосуда, этот объем постоянен и равен 27,50 мл при температуре окружающей среды 292 К.

Приготовили растворы различных электролитов в воде разных концентраций, таблица которых приведена ниже.

Проведя измерения с использованием выше описанного сосуда, получили значения электрического сопротивления РЭ при температуре 292 К и приложенном напряжении 12,00 В (см. приложение №1). На их основании сделали вывод о том, что при данных условиях эксплуатации, растворы гидроксида натрия являются наиболее приемлемыми электролитами для жидкостных резисторов.

Измерение зависимости электрических параметров РЭ от температуры раствора

По схеме (см. рис. 1) с использованием сосуда (см. рис. 2) для измерения электрического сопротивления РЭ, собрал установку, в через один из отводов трубки, ввел в среду РЭ термопару типа К класса точности 1,0. Таким образом, объем сосуда уменьшился с 27,50 до 26,83 мл. Нагревание растворов производилось лабораторной спиртовой горелкой.

При фиксированном значении напряжения 12,00 В, были получены значения токов при разных температурах (см. приложение №2)