Термодвойки. Измервателна апаратура Процедура на работа

9.1. Обективен

Определяне на зависимостта на термоелектродвижещата сила на термодвойка от температурната разлика на преходите.

В затворена верига (фиг. 9.1), състояща се от различни проводници (или полупроводници) A и B, възниква електродвижеща сила (emf) E T и протича ток, ако контактите 1 и 2 на тези проводници се поддържат при различни температури T 1 и Т 2 . Тази емф се нарича термоелектродвижеща сила (термо-емф), а електрическа верига от два различни проводника се нарича термодвойка. Когато знакът на температурната разлика между преходите се промени, посоката на тока на термодвойката се променя. то
явлението се нарича феномен Зеебек.

Известни са три причини за възникването на термо-ЕМП: образуването на насочен поток от носители на заряд в проводник при наличие на температурен градиент, увличането на електрони от фонони и промяна в позицията на нивото на Ферми в зависимост от температурата. Нека разгледаме тези причини по-подробно.

При наличие на температурен градиент dT/dl по протежение на проводника, електроните в неговия горещ край имат по-голяма кинетична енергия, а оттам и по-голяма скорост на хаотично движение в сравнение с електроните на студения край. В резултат на това има преобладаващ поток от електрони от горещия край на проводника към студения, в студения край се натрупва отрицателен заряд, а в горещия край остава некомпенсиран положителен заряд.

Натрупването продължава, докато получената потенциална разлика предизвика равен поток от електрони. Алгебричната сума на такива потенциални разлики във веригата създава обемния компонент на термо-емф.

В допълнение, съществуващият температурен градиент в проводника води до преобладаващо движение (дрейф) на фонони (кванти на вибрационната енергия на кристалната решетка на проводника) от горещия край към студения. Наличието на такъв дрейф води до факта, че електроните, разпръснати от самите фонони, започват да извършват насочено движение от горещия край към студения. Натрупването на електрони в студения край на проводника и изчерпването на електрони от горещия край води до появата на фононна компонента на термо-ерс. Освен това при ниски температури приносът на този компонент е основният при възникването на топлинна едс.

В резултат на двата процеса вътре в проводника възниква електрическо поле, насочено към температурния градиент. Интензитетът на това поле може да бъде представен като

E = -dφ / dl = (-dφ / dT) (-dt / dl)=-β (-dT / dl)

където β = dφ / dT.

Съотношението (9.1) свързва напрегнатостта на електрическото поле E с температурния градиент dT / dl. Полученото поле и температурният градиент имат противоположни посоки, така че имат различни знаци.

Полето, определено от израза (9.1), е полето на външните сили. Интегрирайки силата на това поле върху участъка на веригата AB (фиг. 9.1) от кръстовище 2 до кръстовище 1 и приемайки, че T 2 > T 1, получаваме израз за термо-емф, действащ върху този участък:

(Знакът се промени, когато границите на интегриране се промениха.) По подобен начин определяме термо-емф, действащ в секция B от кръстовище 1 до кръстовище 2.

Третата причина за възникването на термо-емф. е зависима от температурата позиция на нивото на Ферми, което съответства на най-високото енергийно ниво, заето от електрони. Нивото на Ферми съответства на енергията на Ферми E F, която електроните могат да имат на това ниво.

Енергията на Ферми е максималната енергия, която електроните на проводимост могат да имат в метал при 0 К. Нивото на Ферми ще бъде толкова по-високо, колкото по-голяма е плътността на електронния газ. Например (Фигура 9.2), E FA е енергията на Ферми за метал A, а E FB е за метал B. Стойностите на E PA и E PB са най-високата потенциална енергия на електроните в металите A и B, съответно. Когато два различни метала A и B влязат в контакт, наличието на разлика в нивата на Ферми (E FA > E FB) води до преход на електрони от метал A (с по-високо ниво) към метал B (с ниско ниво на Ферми) .

В този случай металът А е зареден положително, а металът В е зареден отрицателно. Появата на тези заряди предизвиква изместване на енергийните нива на металите, включително нивата на Ферми. Веднага щом нивата на Ферми се изравнят, причината, която причинява преференциалния преход на електрони от метал А към метал В, изчезва и между металите се установява динамично равновесие. От фиг. 9.2 може да се види, че потенциалната енергия на електрона в метал А е по-малка от тази в В със стойността E FA - E FB. Съответно, потенциалът вътре в метал A е по-висок от вътре в B със стойността)

U AB = (E FA - E FB) / l

Този израз дава потенциалната разлика на вътрешния контакт. Потенциалът намалява с това количество по време на прехода от метал А към метал В. Ако и двата термодвойки прехода (виж Фиг. 9.1) са при една и съща температура, тогава контактните потенциални разлики са равни и насочени в противоположни посоки.

В този случай те взаимно се компенсират. Известно е, че нивото на Ферми, макар и слабо, зависи от температурата. Следователно, ако температурата на кръстовища 1 и 2 е различна, тогава разликата U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактите дава своя контактен принос към термичната едс. Може да се сравни с обемната термо-емф. и е равно на:

E продълж. = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1 / l) ( + )

Последният израз може да бъде представен по следния начин:

Получената термоемф. (ε T) се състои от ЕДС, действаща в контакти 1 и 2, и ЕДС, действаща в секции A и B.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E продълж.

Замествайки изрази (9.3) и (9.6) в (9.7) и извършвайки трансформации, получаваме

където α = β - ((1/l) (dE F / dT))

Стойността на α се нарича коефициент на термо-емф. Тъй като и β, и dE F / d T зависят от температурата, коефициентът α също е функция на T.

Като се вземе предвид (9.9), изразът за термо-ЕМП може да бъде представен като:

Величината α AB се нарича диференциалили при отделен термо-ЕМПтази двойка метали. Измерва се във W/K и основно зависи от естеството на контактуващите материали, както и от температурния диапазон, достигайки около 10 -5 ÷10 -4 V/K. В малък температурен диапазон (0-100°C) специфична термоемф. слабо зависим от температурата. Тогава формула (9.11) може да бъде представена с достатъчна степен на точност във формата:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

В полупроводниците, за разлика от металите, има силна зависимост на концентрацията на носители на заряд и тяхната подвижност от температурата. Следователно ефектите, обсъдени по-горе, водещи до образуването на топлинна едс, са по-изразени в полупроводниците; много повече и достига стойности от порядъка на 10 -3 V/K.

9.3. Описание на лабораторната обстановка

Да се изследва зависимостта на термоедс. върху температурната разлика на връзките (контактите), в тази работа използваме термодвойка, направена от две парчета тел, едното от които е сплав на основата на хром (хромел), а другото е сплав на основата на алуминий (алумел) . Единият възел, заедно с термометър, се поставя в съд с вода, чиято температура T 2 може да се променя чрез нагряване на електрическа печка. Температурата на другия преход T 1 се поддържа постоянна (фиг. 9.3). Получената топлинна е.р.с. измерено с цифров волтметър.

9.4. Експериментална техника и обработка на резултатите
9.4.1. Експериментална техника

Ние използваме директни измервания на емф, възникващи в термодвойката. Температурата на кръстовищата се определя от температурата на водата в съдовете с помощта на термометър (виж фиг. 9.3)

9.4.2. Работен ред

Свържете захранващия кабел на волтметъра към електрическата мрежа.
Натиснете бутона за захранване на предния панел на цифровия волтметър. Оставете устройството да загрее за 20 минути.
Разхлабете затягащия винт на стойката на термодвойката, повдигнете я и я закрепете. Налейте студена вода в двете чаши. Освободете връзките на термодвойките в чашите до приблизително половината от дълбочината на водата.
Запишете в таблицата. 9.1 стойността на началната температура T 1 на преходите (вода) според термометъра (за другия преход тя остава постоянна през целия експеримент).
Включете електрическата печка.
Запишете стойностите на ЕДС. и температура Т 2 в таблицата. 9.1 на всеки десет градуса.
Когато водата заври, изключете електрическата печка и волтметъра.

9.4.3. Обработка на резултатите от измерванията

Въз основа на данните от измерването начертайте зависимостта на едс. термодвойки 8T (ординатна ос) върху температурната разлика на кръстовищата ΔT \u003d T 2 - T 1 (абсцисната ос).
Използвайки получената графика на линейната зависимост на ET от ∆T, определете специфичната термична едс. по формулата: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Контролен списък

Каква е същността и каква е природата на феномена Зеебек?
Какво причинява появата на обемната компонента на термо-едс?
Какво причинява появата на фононната компонента на термо-едс?
Какво причинява контактна потенциална разлика?
Какви устройства се наричат термодвойки и къде се използват?
Каква е същността и каква е природата на феномените Пелтие и Томсън?

Савелиев I.V. Курс по обща физика. Т.3. - М.: Наука, 1982. -304 с.
Епифанов G.I. Физика на твърдото тяло. М.: Висше училище, 1977. - 288 с.
Сивухин ДВ Общ курс по физика. Електричество. Т.3. - М.: Наука, 1983. -688 с.
Трофимова Т. И. Курс по физика. М. : Висше училище, 1985. - 432 с.
Детлаф А. А., Яворски В. М. Курс по физика. М. : Висше училище, 1989. - 608 с.

ziruemogo разтвор на единица. При производствени измервания не се използват водородни електроди, тъй като те са неудобни за използване.

8.1.1. измервателна клетка pH метър

AT Поради факта, че потенциалът на електрода не може да бъде директно измерен, в потенциометричния метод се използва галваничен елемент, при който единият електрод е измервателен, а другият е референтен електрод (или спомагателен), чийто потенциал не зависят от концентрацията на изследваните йони на разтвора. Измервателният електрод се поставя в анализирания

течна среда, върху нея се създава потенциален скок EX, определен от концентрацията на йони в тази среда. Потенциалът на референтния електрод трябва винаги да остава постоянен, независимо от промените в състава на средата.

AT като измервателни електроди се използват стъклени електроди, чиято индикаторна част е изработена от специални видове стъкло с водородна функция. Като референтен или спомагателен електрод обикновено се използват електроди от каломел или сребърен хлорид. Те принадлежат към електродите от така наречения втори вид, които се състоят от метал, неговата слабо разтворима сол и слабо разтворима сол със същия анион като слабо разтворимата сол.

Общият изглед на клетката със стъклен измервателен електрод е показан на фиг. 1, където 1 е стъклен индикаторен електрод, 2 е каломелов референтен електрод.

ЕМП на електродния сензор на pH метъра се състои от няколко потенциала:

E клетка \u003d E k + E vn + E x + E cf + E d,

където E k е потенциалната разлика между контактния спомагателен електрод и разтвора, запълващ стъкления електрод; E ext - потенциална разлика между разтвора и вътрешната повърхност на измервателната мембрана; E x е потенциалната разлика между външната повърхност на стъклената мембрана и контролираната среда (pH функция); E cf е потенциалната разлика на интерфейса живак (Hg) - каломел (Hg 2 Cl 2); E d - дифузионен потенциал на контактната граница на две среди - KCl и контролирана среда. Клои

Калиевата езда KCl играе ролята на електролитен ключ, който свързва анализирания разтвор с електрода.

Ориз. 1. Електрическата верига на измервателната клетка на pH метъра

В този случай стойностите на E k, E vn, E v са постоянни и не зависят от състава на анализираната среда. Дифузионният потенциал E d е много малък и може да бъде пренебрегнат. По този начин общият ЕМП се определя от активността на водородните йони: E клетка \u003d E x + E.

По този начин E клетка \u003d f (pH), тоест E клетка е линейна функция на pH, която се използва при електрическото измерване на pH.

Зависимостта на ЕМП на електродната клетка Е клетка от pH се определя от електродните свойства на стъклото и се характеризира с коефициента на наклон S на характеристиките на електродната система S= E/ pH. Промяната в температурата на анализирания разтвор влияе върху ЕМП на електродната система, променяйки наклона на номиналната статична характеристика (NSH) на измервателния електрод. Ако изразим тази зависимост графично (фиг. 2), тогава получаваме куп пресичащи се линии. Координатите на точката на пресичане на правите линии се наричат координати на изопотенциалната точка (Е Н , рН Н ) и са най-важните характеристики на електродната система, които се ръководят от изчисляването на веригата за температурна компенсация на pH метър. Температурната компенсация на промените в ЕМП на електродната система, като правило, се извършва автоматично (с помощта на TS, включен във веригата на промишлен преобразувател на pH метър).

>> R ST.

Ориз. 2. NSH на измервателния електрод

Измервателна клетка със стъклен електрод може да се представи като еквивалентна схема (фиг. 3). Съпротивлението R клетка е много високо поради високото съпротивление на стъклената електродна мембрана R st (R клетка 500 MΩ), следователно потокът от малки токове през вътрешното съпротивление на клетката ще причини голяма грешка при измерване:

UВХ \u003d EJCH - ICH RCH ; УВХ \u003d ЕЯЧ.

От последното равенство може да се види, че основното изискване за измерване U IN = E YCH може да бъде изпълнено, ако R IN >> RCH , т.е.

R IN

Ориз. 3. Еквивалентна схема на измервателната клетка

8.1.2. Индустриални преобразуватели за pH метри GSP

Комплектът автоматичен промишлен pH-метър се състои от потопяем сензор (тип DPg-4M) или основен сензор (тип DM-5M), измервателен преобразувател с високо съпротивление и вторично устройство GSP за общопромишлени цели. Задачата на измервателния уред, включен в комплекта pH метър, е да измерва ЕМП на електродната система, която при постоянни температурни условия е функция на pH.

Точното измерване на ЕМП на измервателната клетка на pH метър, който е източник с ниска мощност, е свързано със значителни трудности. Първо, ток, чиято плътност надвишава 10–7 A/cm2, не може да премине през измервателната клетка, тъй като може да възникне явлението поляризация на електрода, в резултат на което електродите се повредят. Втората съществена трудност се състои във факта, че при директно измерване на ЕМП на pH-метърна клетка с консумация на ток, например миливолтметър, се създава електрическа верига, през която протича ток, който се определя от сумата на вътрешния съпротивлението на измервателния електрод (около 500 ... 1000 MΩ) и съпротивлението на измервателното устройство. В този случай трябва да бъдат изпълнени редица условия: измервателният ток трябва да бъде по-малък от поляризационния ток на електродите; вътрешното съпротивление на апарата трябва да е поне 100 пъти по-високо от съпротивлението на стъкления електрод, което обаче противоречи на изискването за висока чувствителност на апарата. В тази връзка преобразувателите с директно измерване на ЕМП практически не се използват.

Единственият метод, който отговаря на всички изисквания за измерване на ЕМП на рН-метър, е компенсационният (потенциометричен) или нулев метод на измерване, чието основно предимство е липсата на ток по време на отчитане. Не трябва обаче да се приема, че при метода на компенсация електродът изобщо не се натоварва и следователно е изключено явлението поляризация на електрода. Тук текущият поток (в рамките на 10-12 A) се обяснява с факта, че по време на процеса на измерване винаги има дисбаланс и по време на измерване компенсацията се постига само с точността, с която чувствителността на нулевия индикатор позволява.

Понастоящем за измерване на ЕМП на електродна система със стъклен електрод се използват само електронни нулеви индикатори (измервателни преобразуватели) със статична компенсация. Опростена блокова схема, обясняваща принципа на работа на такъв преобразувател, е показана на фиг. 4. Преобразувателят е DC усилвател, обхванат от дълбока отрицателна обратна връзка на обратната връзка на изходния ток, което осигурява голямо входно съпротивление. Усилвателят е изграден по схема за преобразуване на постоянно напрежение в променливо напрежение с последваща демодулация.

Ориз. Фиг. 4. Структурна диаграма на метода за измерване на ЕМП на клетката на pHметъра

Измерената EMF E IA се сравнява с напрежението U OUT, образувано от потока на изходния ток на усилвателя I OUT през резистора R OS. Разликата между тези напрежения се подава на входа на усилвателя U IN = E IJ -U OUT . Ако печалбата k \u003d U OUT / U IN, тогава E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). При достатъчно голяма стойност на k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , т.е. силата на изходния ток е практически пропорционална на входния сигнал от измервателната клетка на pH-метъра.

Използването на статична компенсация позволява многократно намаляване на тока, консумиран от измервателната клетка по време на процеса на измерване.

Този принцип се прилага в почти всички промишлени pH преобразуватели - измерватели: pH-201, P201, P202, P205 (полупроводникова елементна база) и в P215 (използвайки стандартни микросхеми).

8.1.3. Описание на преобразувателя P - 201

Индустриалните преобразуватели тип P201 са предназначени за измерване на активността на водородните йони (pH стойност) на разтвори и пулпи в системи за автоматично управление и регулиране на технологични процеси.

Преобразувателите са проектирани да работят с всякакви налични в търговската мрежа pH чувствителни елементи, като DPg-4M; ДМ-5М и др.

Преобразувателят има изходи за напрежение и ток за свързване на вторични устройства със съответния вход

сигнали.
	Основни технически характеристики:
	граници на измерване	-1 до 14 pH
	граница на позволените осн
грешки:
	а) DC изходни сигнали и
	DC напрежение
	б) според показващия уред
	измерване на съпротивлението на стъклото
електрод
	съпротивление на спомагателния електрод
	време за утаяване	не повече от 10 s
	изходен ток	не повече от 10 s
	изходен ток
	изходно напрежение
	изходно напрежение	0 до 10 100mV

Преобразувателят е предназначен за монтаж в непосредствена близост до промишлени съоръжения. Преобразувателят може да се състои от теснопрофилно показващо устройство и самия преобразувател, монтирани на един общ панел или отделно, или само един преобразувател. Външният вид на устройството е показан на фиг. 5.

Корпусът 1 е изработен от листова стомана, капакът 2 е лят, изработен от алуминиева сплав. На лицевата страна на капака има надпис с индекса на устройството, капачка 3 и винтова тапа 4.

Ориз. 5. Външен вид на преобразувателя P201

Вътре в корпуса е монтирана рамка, която служи като основа за инсталиране на всички блокове и елементи на устройството. На предния панел на преобразувателя, разположен под капака, се показват осите на променливите резистори, предназначени да променят границите на измерване на преобразувателите. Блокът със скоби за външни електрически връзки е разположен в затворено отделение, достъпът до него е осигурен от задната стена на корпуса. Проводниците се въвеждат в отделението през четири жлези в долната стена на устройството (фиг. 6).

Ориз. Фиг. 6. Схема на външни електрически връзки на преобразувателя P-201: TRM - универсален измервателен уред; TKR - блок от резистори за температурна компенсация

8.1.4. Проверка и калибриране на автоматичен pH метър

Текущата проверка на автоматичен pH метър се състои в сравняване на неговите показания с тези на контролно устройство. При значително несъответствие показанията на тестваното устройство се коригират с помощта на компенсатор или чрез промяна на калибрирането на преобразувателя с помощта на копчетата за настройка. С изключение

Освен това периодично трябва да се извършва по-подробна проверка на сензора и трансдюсера.

Проверката на сензора включва следните операции:

1) внимателно външно изследване, особено на онези части, които влизат в контакт с измерваната среда;

2) проверка на електрически вериги, по-специално изолационното съпротивление на стъклото и веригите на референтния електрод от

спрямо кутията, които трябва да бъдат съответно най-малко 1012 ома и 2108 ома;

3) проверка на характеристиките на електродната система чрез буферни разтвори с известна стойност на pH с помощта на контролен лабораторен pH метър.

Проверката на конвертора включва:

1) определяне на основната грешка на измерване на преобразувателя и коригиране на калибрирането му;

2) определяне на допълнителни грешки на измерване на преобразувателя от промяна в съпротивлението на стъкления електрод R ST , промени в съпротивлението на референтния електрод RSR

и промяна в потенциала на контролирания разтвор EХ .

За калибриране на скалата на рН метрите е необходимо да имате симулатор на електродна система I-01 или I-02.

Симулаторът на електродната система ви позволява да проверите работата на сензора за pH-метър; влиянието на промените в съпротивлението на електродите и напрежението между разтвора и тялото на устройството върху показанията на устройството; шумоустойчивост на рН метри.

С помощта на симулатора можете да възпроизведете следните параметри на електродната система:

а) напрежение, еквивалентно на ЕМП на електродната система, в диапазона от 0 до 1000 mV;

б) съпротивление, еквивалентно на съпротивлението на стъкления електрод: 0; 500 и 1000 MΩ;

в) съпротивление, еквивалентно на съпротивлението на спомагателния електрод: 10 и 20 kOhm;

г) напрежение, еквивалентно на ЕМП "земя - разтвор": 0 и

Симулаторът е електрически еквивалент на електродната система (фиг. 7) и е проектиран като преносимо устройство, поставено в стоманен корпус с подвижен капак.

E W Rv

Ориз. Фиг. 7. Еквивалентна схема на симулатора на електродната система: R I – съпротивление на измервателния стъклен електрод; R B е съпротивлението на спомагателния електрод; E - обща ЕМП на електродната система: E G - ЕМП "земя - разтвор".

На предния панел на симулатора има клеми за свързването му към проверения pH метър с помощта на кабела, включен в комплекта. Там се намират и копчетата за настройка на необходимото изходно напрежение, електродно съпротивление, контролиран потенциал на разтвора и др.

8.2. ОБОРУДВАНЕ И ИНСТРУМЕНТИ

1. индустриален конверторП-201.

2. Симулатор на електродна система I-02.

3. Метър-регулаторуниверсален многоканален TPM 138.

8.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛНОСТ НА РАБОТА

1. Сглобете инсталацията за проверка на преобразувателя P-201 с помощта на симулатор I-02 в съответствие със схемата на фиг. 8 чрез свързване на изхода на симулатора към входа „Meas“ и „Aux“ на трансдюсера чрез коаксиален кабел.

2. Подгответе симулатора за работа. За да направите това, натиснете превключвателите на симулатора: „RИ ” – бутон 500; “EЗР”, “RВ” - бутони

“00” за ЕЗП и “010” за РБ; “POWER” – бутон “INTERNAL” и “ON”.

3. Включете захранване на стойката.

Ориз. 8. Схема за проверка: 1 – симулатор на електродна система I-02; 2 – електродна система; 3 - високоомен преобразувател P-201; 4 - многоканален метър-регулатор TPM 138

4. Използвайте стрелките ^ v на TPM 138, за да изберете канал № 5, през който се отчита ЕМП.

5. Проверете конвертора.

За това:

5.1. Наберете върху бутоните на превключвателя "E, mV" на симулатора стойността на EMF, съответстваща на стойността на pH на цифровата маркировка на скалата. Превключвателят “EX , mV” се поставя в положение “+” или “-“ в зависимост от знака на ЕМП в таблицата за калибриране.

5.2. Да се направи разчитане на показанията на симулатор И-02. Определете основната грешка на измерване при RВ = 10

kOhm; EZ =0. Основната грешка се проверява на всички цифровизирани маркировки на скалата по време на движение напред и назад и се изчислява по формулата = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100%, където E 0 е таблична (действителната стойност на ЕМП на електродната система, съответстваща на тази цифровизирана маркировка на скалата, mV, E - действителна стойност на ЕМП, mV, E K , EN - стойности на ЕМП, съответстващи на крайната и началната маркировка на скалата.

6. Представете резултатите от проверката в отчет.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

Държава Саратов

Технически университет

Измерване с електроди

потенциали и емф

Насоки

по курса "Теоретична електрохимия"

за студенти от спец

направление 550800

Електронно издание за локално разпространение

Одобрено

редакционно-издателска

Саратовски съвет

състояние

технически университет

Саратов - 2006г

Всички права за възпроизвеждане и разпространение под каквато и да е форма остават на разработчика.

Нелегалното копиране и използване на този продукт е забранено.

съставен от:

Редактиран от

Рецензент

Научно-техническа библиотека на SSTU

Регистрационен номер 060375-E

технически университет, 2006г

Въведение

Една от основните концепции на електрохимията е концепцията за електрохимичен потенциал и ЕМП на електрохимична система. Стойностите на електродните потенциали и ЕМП са свързани с такива важни характеристики на електролитните разтвори като активност (a), коефициент на активност (f), трансферни числа (n+, n-). Чрез измерване на потенциала и ЕМП на електрохимичната система могат да се изчислят a, f, n+, n - електролити.

Целта на насоките е да запознае студентите с теоретични идеи за причините за потенциални скокове между електрод и разтвор, с класификацията на електродите, овладяване на теоретичните основи на компенсационния метод за измерване на електродни потенциали и ЕМП, използване на този метод за изчисляване на коефициентите на активност и йонните транспортни числа в електролитни разтвори.

Основни понятия

Когато метален електрод се потопи в разтвор, на интерфейса се появява двоен електрически слой и следователно се появява потенциален скок.

Появата на потенциален скок се причинява от различни причини. Един от тях е обменът на заредени частици между метала и разтвора. Когато металът се потопи в електролитен разтвор, металните йони, напускайки кристалната решетка и преминавайки в разтвора, внасят своите положителни заряди в него, докато металната повърхност, върху която остават излишни електрони, се зарежда отрицателно.

Друга причина за появата на потенциали е селективната адсорбция на аниони от воден разтвор на сол върху повърхността на някакъв инертен метал. Адсорбцията води до появата на излишен отрицателен заряд върху повърхността на метала и по-нататък до появата на излишен положителен заряд в най-близкия слой разтвор.

Третата възможна причина е способността на полярните незаредени частици да бъдат ориентирани адсорбирани близо до фазовата граница. При ориентираната адсорбция единият край на дипола на полярна молекула е обърнат към границата, а другият към фазата, към която принадлежи дадената молекула.

Невъзможно е да се измери абсолютната стойност на потенциалния скок на границата електрод-разтвор. Но е възможно да се измери ЕМП на елемент, съставен от изследвания електрод и електрода, чийто потенциал условно се приема за нула. Получената по този начин стойност се нарича "вътрешен" потенциал на метала - Е.

Стандартен водороден електрод служи като електрод, чийто равновесен потенциал обикновено се приема за нула.

Равновесният потенциал е потенциал, характеризиращ се с установено равновесие между метал и солев разтвор. Установяването на равновесно състояние не означава, че в електрохимичната система изобщо не протичат процеси. Обменът на йони между твърдата и течната фаза продължава, но скоростите на тези преходи стават равни. Равновесието на границата метал-разтвор съответства на условието

азДа се= iНО=iО , (1)

където азДа сее катодният ток;

азО – обменен ток.

За измерване на потенциала на изследвания електрод могат да се използват други електроди, чийто потенциал е известен спрямо стандартния водороден електрод - референтни електроди.

Основните изисквания към референтните електроди са постоянството на потенциалния скок и добрата възпроизводимост на резултатите. Примери за референтни електроди са електроди от втори вид: каломел:

кл- / hg2 кл2 , hg

Електрод от сребърен хлорид:

кл- / AgCl, Ag

живачно-сулфатен електрод и други. Таблицата показва потенциалите на референтните електроди (според водородната скала).

Потенциалът на всеки електрод - E, се определя при дадена температура и налягане от стойността на стандартния потенциал и активността на веществата, участващи в електродната реакция.

Ако реакцията протича обратимо в електрохимична система

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

след това https://pandia.ru/text/77/491/images/image003_83.gif" width="29" height="41 src=">ln и Cu2+ (5)

Електродите от втория вид са метални електроди, покрити с умерено разтворима сол на този метал и потопени в разтвор на силно разтворима сол, която има общ анион с умерено разтворима сол: пример е сребърен хлорид, каломелови електроди и др.

Потенциалът на електрод от втори вид, например електрод от сребърен хлорид, се описва с уравнението

EAg, AgCl/Cl-=E0Ag, AgCl/Cl-ln aCl - (6)

Редокс електродът е електрод, направен от инертен материал и потопен в разтвор, съдържащ някакво вещество в окислена и редуцирана форма.

Има прости и сложни редокс електроди.

При прости редокс електроди се наблюдава промяна във валентността на заряда на частиците, но химичният състав остава постоянен.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Ако означим окислените йони като Ox, а редуцираните йони като Red, тогава всички горни реакции могат да бъдат изразени с едно общо уравнение

вол+ д→ Червено

Прост редокс електрод е написан като диаграма червен, вол/ Пт, и неговият потенциал е даден от уравнението

д Червено, Ox=E0 Червено, Ox+https://pandia.ru/text/77/491/images/image005_58.gif" width="29" height="41 src=">ln (8)

Потенциалната разлика между двата електрода, когато външната верига е изключена, се нарича електродвижеща сила (ЕМС) (E) на електрохимичната система.

д= д+ - д- (9)

Електрохимична система, състояща се от два еднакви електрода, потопени в разтвор на един и същ електролит с различни концентрации, се нарича концентрационна клетка.

ЕМП в такъв елемент възниква поради разликата в концентрациите на електролитни разтвори.

Експериментална техника

Компенсационен метод за измерване на ЕМП и потенциал

Инструменти и аксесоари: R-37/1 потенциометър, галванометър, батерия, клетки Weston, въглеродни, медни, цинкови електроди, електролитни разтвори, сребърнохлориден референтен електрод, електролитен ключ, електрохимична клетка.

Сглобете инсталационната схема (фиг. 2)

д. аз – електрохимична клетка;

д. и. – изследван електрод;

д. с. – сравнителен електрод;

д. к. - електролитен ключ.

DIV_ADBLOCK84">

концентрациите на CrO42- и H+ йони са постоянни и равни на 0,2 g-ion/l и 3-ion/l концентрация на H+ варира и е: 3; 2; един; 0,5; 0,1 g-йон/л;

концентрацията на CrO42-, Cr3+ йони е постоянна и е равна съответно на 2 g-ion/l и 0,1 g-ion/l, концентрацията на H+ йони варира и е: 2; един; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g-йон/л.

Задача 4

Измерване на потенциала на проста редокс система Mn+7, Mn2+ графит.

концентрацията на Mn2+ йона е постоянна и равна на 0,5 g-ion/l

концентрацията на йони MnO2-4 се променя и е 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g-йон/л;

концентрацията на MnO-4 йони е постоянна и равна на 1 g-ion/l

концентрацията на Mn2+ йони v се променя и е: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g-йон/л.

Обработка на експериментални данни

1. Всички получени експериментални данни трябва да бъдат преобразувани във водородна скала.

3. Изградете графична зависимост на потенциала от концентрацията в координатите E, lgC, направете заключение за естеството на влиянието на концентрацията на потенциалоопределящи йони върху стойността на потенциала на електрода.

4. За елементи на концентрация (задача 2), изчислете скока на потенциала на дифузия φα, като използвате уравнението

φα = (10)

при измерване на ЕМП по метода на компенсация

1. Потенциометърът трябва да бъде заземен преди работа.

2. Когато работите с батерии, трябва:

Използвайте за проверка на напрежението на клемите с преносим волтметър;

Когато сглобявате батерии в батерия, избягвайте късо съединение на кутията и клемите, за да избегнете сериозни изгаряния.

3. След работа изключете всички устройства.

Литература

1. Електрохимия на Антропов:

учебник / .- 2-ро изд. ревизиран add.-M .: Висше училище, 1984.-519s.

2.-Rotinyan електрохимия: учебник / ,

Л.: Химия, стр.

3. Дамаск /, .- М .: Висше училище, 1987.-296s.

Какво ЕМП(електродвижеща сила) във физиката? Електрическият ток не се разбира от всеки. Като космическо разстояние, само под самия нос. Като цяло не е напълно разбрано и от учените. Достатъчно за запомняне Никола Теслас прочутите си експерименти, изпреварили времето си с векове и дори днес оставащи в ореола на мистерия. Днес ние не решаваме големи мистерии, но се опитваме да разберем какво е емф във физиката.

Определение на ЕМП във физиката

ЕМПе електродвижещата сила. Означава се с буква д или малката гръцка буква епсилон.

Електродвижеща сила- скаларно физическо количество, характеризиращо работата на външните сили ( сили с неелектрически произход), работещи в електрически вериги на променлив и постоянен ток.

ЕМП, като волтаж e, измерено във волтове. EMF и напрежението обаче са различни явления.

Волтаж(между точки A и B) - физическо количество, равно на работата на ефективното електрическо поле, извършено при прехвърляне на единичен тестов заряд от една точка в друга.

Обясняваме същността на ЕМП "на пръстите"

За да разберем какво е какво, можем да дадем пример за аналогия. Представете си, че имаме водна кула, напълно пълна с вода. Сравнете тази кула с батерия.

Водата упражнява максимално налягане върху дъното на кулата, когато кулата е пълна. Съответно, колкото по-малко вода е в кулата, толкова по-слабо е налягането и налягането на водата, която тече от крана. Ако отворите крана, водата ще изтече постепенно отначало под силно налягане, а след това все по-бавно, докато налягането отслабне напълно. Тук напрежението е налягането, което водата упражнява върху дъното. За нивото на нулево напрежение ще вземем самото дъно на кулата.

Същото е и с батерията. Първо включваме нашия източник на ток (батерия) във веригата, затваряйки я. Нека бъде часовник или фенерче. Докато нивото на напрежение е достатъчно и батерията не е разредена, фенерчето свети ярко, след което постепенно изгасва, докато изгасне напълно.

Но как да се уверите, че налягането няма да изтече? С други думи, как да се поддържа постоянно ниво на водата в кулата и постоянна потенциална разлика на полюсите на източника на ток. По примера на кулата, ЕМП е представен като помпа, която осигурява притока на нова вода в кулата.

Естеството на емф

Причината за възникването на ЕМП в различните източници на ток е различна. Според естеството на възникване се разграничават следните видове:

Химическа е.р.с.Среща се в батерии и акумулатори поради химични реакции.
Термо ЕМП.Възниква при свързване на контакти на различни проводници при различни температури.
ЕМП на индукция.Възниква в генератор, когато въртящ се проводник е поставен в магнитно поле. ЕМП ще се индуцира в проводник, когато проводникът пресече силовите линии на постоянно магнитно поле или когато магнитуда на магнитното поле се промени.
Фотоелектрически ЕМП.Появата на това ЕМП се улеснява от явлението външен или вътрешен фотоелектричен ефект.
Пиезоелектрична е.д.с.ЕМП възниква, когато дадено вещество се разтяга или компресира.

Скъпи приятели, днес разгледахме темата "EMF for Dummies". Както можете да видите, ЕМП сила с неелектрически произход, който поддържа протичането на електрически ток във веригата. Ако искате да знаете как се решават проблеми с ЕМП, съветваме ви да се свържете с нашите автори– стриктно подбрани и доказани специалисти, които бързо и ясно ще обяснят хода на решаване на всеки тематичен проблем. И по традиция в края ви каним да гледате обучителното видео. Приятно гледане и успех в обучението!

Уредите за измерване на температурата на течни метали и EMF на сензори за кислородна активност iM Sensor Lab са предназначени за измерване на термо-EMF, идващи от първични термоелектрически преобразуватели, които измерват температурата на течни метали (чугун, стомана, мед и други) и EMF, генерирани от сензори за кислородна активност.

Описание

Принцип на действие

Термо-ЕМП сигналите от първичния термоелектрически преобразувател (термодвойка) и ЕМП от сензорите за кислородна активност (mV), подавани към "измервателния" вход на устройството за измерване на температурата на течни метали и ЕМП на сензорите за кислородна активност iM2 Sensor Lab се преобразуват в цифров вид и по съответната програма се преобразуват в стойности за температура и кислородна активност. Тези сигнали се получават в цикли до 250 s-1. Устройството има 4 входа: Ch0 и Ch2 - за измерване на сигнали от термодвойки, и Ch1, Ch3 - за измерване на EMF сигнали от сензори за активност на кислорода.

В процеса на измерване на температурата се прави анализ на изменението на входящия входен сигнал, за да се определи изходът му до стабилни показания (характеризиращи се с параметрите на т.нар. "температурна зона", определена от дължината (времето) и височина (температурна промяна). Ако през времето, определено от дължината на зоната, действителната промяна в температурата не надвишава определената височина (т.е. допустимата температурна промяна), тогава зоната се счита за избрана. След това, Устройството iM Sensor Lab за измерване на температурата на течни метали и EMF на сензори за кислородна активност осреднява стойностите на температурния часовник, измерени по дължината на избраната област, и показва средната стойност в резултат на измерванията на екрана.

По подобен начин се разпределят области, съответстващи на изхода на ЕМП до стабилни показания, чиито размери също се задават от дължината (време) и височината (допустима промяна в стойността на ЕМП).

В допълнение към измерването на температурата на ваната, устройството ви позволява да определите температурата на ликвидус на течната стомана, която може да бъде преизчислена според емпиричното уравнение в съдържанието на въглерод. Според резултатите от измерванията на ЕМП, генерирани от сензори за активност на кислорода, активността на кислорода в течна стомана, чугун и мед, съдържанието на въглерод в стоманата, съдържанието на сяра и силиций в чугуна, активността на FeO (FeO + MnO ) в течни металургични шлаки и някои други параметри се определят чрез изчисление, свързано с термичното състояние и химичния състав на течните метали. Устройството също така има способността да определя нивото на ваната (позицията на границата шлака-метал) чрез анализиране на скоростта на температурни промени, когато термодвойката е потопена във ваната и определяне на дебелината на слоя шлака със специални сонди.

Инструментите за измерване на температурата на течни метали и EMF на сензорите за активност на кислорода iM2 Sensor Lab имат две модификации, които се различават по наличието или отсъствието на сензорен LCD екран (Фигура 1). При липса на екран устройството се управлява от външен компютър или от индустриален таблет. В този случай се доставя специален софтуер за комуникация между тях.

Сензорният екран се намира на предния панел на корпуса на инструмента и показва напредъка на измерванията, резултатите от тях и друга информация, свързана с измерванията в цифров и графичен вид. Екранът показва и меню под формата на текстови раздели, което се използва за управление на устройството, неговата диагностика и преглед на данните за изпълнението.

Лист № 2 Общо листове 4

предишни измервания. В модификацията "без екран" цялата горепосочена информация се показва на екрана на компютър или индустриален таблет.

Електронните платки на уреда за измерване на температурата на течни метали и ЕМП на сензорите за кислородна активност iM2 Sensor Lab са монтирани в прахоустойчив стоманен корпус, изработен по стандарт 19” за монтаж на монтажна стойка или монтаж в щит.

Сигналите от първичните преобразуватели могат да се предават към устройството по два начина - по кабел и по радио. В последния случай устройството е свързано към приемника (Receiver Box) чрез сериен интерфейс, а на дръжката на потопяемите пръти е монтиран предавател (QUBE), който преобразува сигналите от сензорите в радиосигнали, предавани на приемащата единица. Последният ги приема и ги предава на устройството за обработка.

Устройството не е запечатано.

Софтуер

Инсталирането на софтуер (SW) се извършва от производителя. Не е възможен достъп до метрологично значимата част от софтуера.

Конструкцията на МИ изключва възможността за нерегламентирано въздействие върху софтуера на измервателния уред и измервателната информация.

Ниво на защита на фърмуера срещу неволни и умишлени модификации

Висока според R 50.2.077-2014.

Спецификации

Метрологичните и техническите характеристики на устройствата за измерване на температурата на течни метали и ЕМП на сензорите за активност на кислорода iM2 Sensor Lab са дадени в таблица 1. Таблица 1

* - без да се отчита грешката на първичния преобразувател, удължителния кабел и EMF сензора.

Знак за типово одобрение

Знакът за одобрение на типа се нанася типографски върху заглавната страница на експлоатационната документация чрез типографски метод и върху предния панел на инструмента чрез метод на офсетов печат.

Пълнота

Комплектността на измервателния уред е дадена в таблица 2. Таблица 2

Проверка

се извършва съгласно MP RT 2173-2014 „Уреди за измерване на температурата на течни метали и EMF на сензори за кислородна активност iM2 Sensor Lab. Методология на проверката”, одобрена от GCI SI FBU „Ростест-Москва” на 26 октомври 2014 г.

Основните средства за проверка са дадени в таблица 3. Таблица 3

Информация за методите на измерване

Информация за методите на измерване се съдържа в ръководството за употреба.

Нормативни и технически документи, които установяват изисквания за инструменти за измерване на температурата на течни метали и EMF на сензори за кислородна активност iM2 Sensor Lab

1 Техническа документация на производителя Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. килограма.

2 GOST R 52931-2008 „Уреди за контрол и регулиране на технологичните процеси. Общи технически условия”.

3 GOST R 8.585-2001 „GSP. Термодвойки. Номинални статични характеристики на преобразуване.

4 GOST 8.558-2009 „GSP. Схема за държавна проверка на уреди за измерване на температура.

при извършване на работа по оценяване на съответствието на продукти и други обекти със задължителни изисквания в съответствие със законодателството на Руската федерация за техническо регулиране.

Категории

Избор на редакторите