Termopares. Equipo de medida Procedimiento de trabajo

9.1. Objetivo

Determinación de la dependencia de la fuerza termoelectromotriz de un termopar con la diferencia de temperatura de las uniones.

En un circuito cerrado (Fig. 9.1), que consta de conductores diferentes (o semiconductores) A y B, surge una fuerza electromotriz (fem) E T y fluye una corriente si los contactos 1 y 2 de estos conductores se mantienen a diferentes temperaturas T 1 y T 2 . esta fem se llama fuerza termoelectromotriz (thermo-emf), y un circuito eléctrico de dos conductores diferentes se llama termopar. Cuando cambia el signo de la diferencia de temperatura entre las uniones, cambia la dirección de la corriente del termopar. eso
el fenómeno se llama el fenómeno de Seebeck.

Hay tres razones conocidas para la aparición de termo-EMF: la formación de un flujo dirigido de portadores de carga en un conductor en presencia de un gradiente de temperatura, el arrastre de electrones por fonones y un cambio en la posición del nivel de Fermi. dependiendo de la temperatura. Consideremos estas razones con más detalle.

En presencia de un gradiente de temperatura dT / dl a lo largo del conductor, los electrones en su extremo caliente tienen una mayor energía cinética y, por lo tanto, una mayor velocidad de movimiento caótico en comparación con los electrones del extremo frío. Como resultado, hay un flujo predominante de electrones desde el extremo caliente del conductor hacia el frío, se acumula una carga negativa en el extremo frío y queda una carga positiva no compensada en el extremo caliente.

La acumulación continúa hasta que la diferencia de potencial resultante provoca un flujo igual de electrones. La suma algebraica de tales diferencias de potencial en el circuito crea el componente volumétrico de la termo-fem.

Además, el gradiente de temperatura existente en el conductor provoca el movimiento predominante (deriva) de los fonones (cuantos de energía vibracional de la red cristalina del conductor) desde el extremo caliente hacia el frío. La existencia de tal deriva conduce al hecho de que los electrones dispersados por los propios fonones comienzan a realizar un movimiento dirigido desde el extremo caliente al frío. La acumulación de electrones en el extremo frío del conductor y el agotamiento de electrones en el extremo caliente conduce a la aparición de un componente de fonones de la termo-emf. Además, a bajas temperaturas, la contribución de este componente es la principal en la aparición de la fem térmica.

Como resultado de ambos procesos, surge un campo eléctrico en el interior del conductor, dirigido hacia el gradiente de temperatura. La intensidad de este campo se puede representar como

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

donde β = dφ / dT.

La relación (9.1) relaciona la intensidad del campo eléctrico E con el gradiente de temperatura dT/dl. El campo resultante y el gradiente de temperatura tienen direcciones opuestas, por lo que tienen signos diferentes.

El campo determinado por la expresión (9.1) es el campo de fuerzas externas. Integrando la fuerza de este campo sobre la sección del circuito AB (Fig. 9.1) desde la unión 2 a la unión 1 y suponiendo que T 2 > T 1, obtenemos una expresión para la termo-fem que actúa en esta sección:

(El signo cambió cuando cambiaron los límites de integración). De manera similar, determinamos la termo-fem que actúa en la sección B desde la unión 1 a la unión 2.

La tercera razón para la aparición de termo-emf. es la posición dependiente de la temperatura del nivel de Fermi, que corresponde al nivel de energía más alto ocupado por los electrones. El nivel de Fermi corresponde a la energía de Fermi E F que pueden tener los electrones en este nivel.

La energía de Fermi es la energía máxima que pueden tener los electrones de conducción en un metal a 0 K. El nivel de Fermi será tanto mayor cuanto mayor sea la densidad del gas de electrones. Por ejemplo (Figura 9.2), E FA es la energía de Fermi para el metal A y E FB es para el metal B. Los valores de E PA y E PB son la energía potencial más alta de los electrones en los metales A y B, respectivamente. Cuando dos metales diferentes A y B entran en contacto, la presencia de una diferencia de nivel de Fermi (EFA > E FB) conduce a la transición de electrones del metal A (con un nivel más alto) al metal B (con un nivel de Fermi bajo) .

En este caso, el metal A tiene carga positiva y el metal B tiene carga negativa. La aparición de estas cargas provoca un cambio en los niveles de energía de los metales, incluidos los niveles de Fermi. Tan pronto como se igualan los niveles de Fermi, desaparece la causa que provoca la transición preferencial de electrones del metal A al metal B, y se establece un equilibrio dinámico entre los metales. De la fig. 9.2 se puede ver que la energía potencial de un electrón en el metal A es menor que en B por el valor E FA-E FB. En consecuencia, el potencial dentro del metal A es mayor que dentro de B por el valor)

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

Esta expresión da la diferencia de potencial de contacto interno. El potencial disminuye en esta cantidad durante la transición del metal A al metal B. Si ambas uniones de termopar (ver Fig. 9.1) están a la misma temperatura, entonces las diferencias de potencial de contacto son iguales y están dirigidas en direcciones opuestas.

En este caso, se anulan entre sí. Se sabe que el nivel de Fermi, aunque débilmente, depende de la temperatura. Por lo tanto, si la temperatura de las uniones 1 y 2 es diferente, entonces la diferencia U AB (T 1) - U AB (T 2) en los contactos da su contribución de contacto a la fem térmica. Se puede comparar con termo-emf volumétrico. y es igual a:

E cont \u003d U AB (T 1) - U AB (T 2) \u003d (1 / l) ( + )

La última expresión se puede representar de la siguiente manera:

La termo-emf resultante. (ε T) está compuesto por la fem que actúa en los contactos 1 y 2 y la fem que actúa en las secciones A y B.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E cont.

Sustituyendo las expresiones (9.3) y (9.6) en (9.7) y realizando transformaciones, obtenemos

donde α = β - ((1/l) (dE F / dT))

El valor de α se llama coeficiente termo-fem. Dado que tanto β como dE F / d T dependen de la temperatura, el coeficiente α también es función de T.

Teniendo en cuenta (9.9), la expresión para termo-EMF se puede representar como:

La cantidad α AB se llama diferencial o en separado termo-EMF este par de metales. Se mide en W/K y depende esencialmente de la naturaleza de los materiales en contacto, así como del rango de temperatura, alcanzando alrededor de 10 -5 ÷ 10 -4 V/K. En un pequeño rango de temperatura (0-100°C) termo-emf específico. débilmente dependiente de la temperatura. Entonces la fórmula (9.11) se puede representar con un grado suficiente de precisión en la forma:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

En los semiconductores, a diferencia de los metales, existe una fuerte dependencia de la temperatura de la concentración de los portadores de carga y su movilidad. Por lo tanto, los efectos discutidos anteriormente, que conducen a la formación de una fem térmica, son más pronunciados en los semiconductores; mucho más y alcanza valores del orden de 10 -3 V/K.

9.3. Descripción de la instalación del laboratorio.

Estudiar la dependencia de termo-emf. sobre la diferencia de temperatura de las uniones (contactos), en este trabajo utilizamos un termopar hecho de dos piezas de alambre, una de las cuales es una aleación a base de cromo (chromel), y la otra es una aleación a base de aluminio (alumel) . Una unión, junto con un termómetro, se coloca en un recipiente con agua, cuya temperatura T 2 se puede cambiar calentándola en una estufa eléctrica. La temperatura de la otra unión T 1 se mantiene constante (Fig. 9.3). La fem térmica resultante. medida con un voltímetro digital.

9.4. Técnica experimental y procesamiento de resultados
9.4.1. Técnica experimental

Usamos mediciones directas de la fem que surge en el termopar. La temperatura de las uniones está determinada por la temperatura del agua en los recipientes usando un termómetro (ver Fig. 9.3)

9.4.2. Orden de trabajo

Conecte el cable de alimentación del voltímetro a la red eléctrica.
Presione el botón de red en el panel frontal del voltímetro digital. Deje que el dispositivo se caliente durante 20 minutos.
Afloje el tornillo de sujeción del soporte del termopar, levántelo y asegúrelo. Vierta agua fría en ambos vasos. Suelte las uniones del termopar en los vasos de precipitados hasta aproximadamente la mitad de la profundidad del agua.
Escribe en la tabla. 9.1 el valor de la temperatura inicial T 1 de las uniones (agua) según el termómetro (para la otra unión permanece constante durante todo el experimento).
Enciende la estufa eléctrica.
Registre los valores de fem. y temperatura T 2 en la tabla. 9,1 cada diez grados.
Cuando el agua hierva, apague la estufa eléctrica y el voltímetro.

9.4.3. Procesamiento de resultados de medición

Con base en los datos de medición, grafique la dependencia de la fem. termopares 8T (eje de ordenadas) en la diferencia de temperatura de las uniones ΔT \u003d T 2 - T 1 (eje de abscisas).
Utilizando el gráfico resultante de la dependencia lineal de E T con ∆T, determine la fem térmica específica. según la fórmula: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Lista de Verificación

¿Cuál es la esencia y cuál es la naturaleza del fenómeno Seebeck?
¿Qué causa la aparición de la componente volumétrica de la termo-fem?
¿Qué causa la aparición del componente fonónico de la termo-emf?
¿Qué causa una diferencia de potencial de contacto?
¿Qué dispositivos se llaman termopares y dónde se usan?
¿Cuál es la esencia y cuál es la naturaleza de los fenómenos de Peltier y Thomson?

Savelyev I.V. Curso de física general. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 p.
Epifanov G.I. Física del estado sólido. M.: Escuela superior, 1977. - 288 p.
Sivukhin DV Curso general de física. Electricidad. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 p.
Trofimova T. I. Curso de física. M. : Escuela superior, 1985. - 432 p.
Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Curso de física. M. : Escuela superior, 1989. - 608 p.

solución de ziruemogo por unidad. En las mediciones de producción, no se utilizan electrodos de hidrógeno, ya que son inconvenientes de usar.

8.1.1. celda de medida medidor de pH

A Debido a que el potencial del electrodo no se puede medir directamente, en el método potenciométrico se utiliza una celda galvánica, en la que un electrodo es de medición y el otro es un electrodo de referencia (o auxiliar), cuyo potencial no dependen de la concentración de los iones investigados de la solución. El electrodo de medición se coloca en el analizado

medio líquido, se crea sobre él un salto de potencial EX, determinado por la concentración de iones en este medio. El potencial del electrodo de referencia siempre debe permanecer constante independientemente de los cambios en la composición del medio.

A Los electrodos de vidrio se utilizan como electrodos de medición, cuya parte indicadora está hecha de tipos especiales de vidrio con función de hidrógeno. Como electrodo de referencia o auxiliar se suelen utilizar electrodos de calomelanos o de cloruro de plata. Pertenecen a los electrodos del llamado segundo tipo, que consisten en un metal, su sal poco soluble y una sal poco soluble con el mismo anión que la sal poco soluble.

La vista general de la celda con un electrodo de medición de vidrio se muestra en la fig. 1, donde 1 es un electrodo indicador de vidrio, 2 es un electrodo de referencia de calomelanos.

El EMF del sensor de electrodo del medidor de pH consta de una serie de potenciales:

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

donde E k es la diferencia de potencial entre el electrodo auxiliar de contacto y la solución que llena el electrodo de vidrio; E ext - diferencia de potencial entre la solución y la superficie interna de la membrana de medición; E x es la diferencia de potencial entre la superficie exterior de la membrana de vidrio y el medio controlado (función de pH); E cf es la diferencia de potencial en la interfase mercurio (Hg) - calomelano (Hg 2 Cl 2); E d - potencial de difusión en el límite de contacto de dos medios - KCl y ambiente controlado. Cloe

El KCl de potasio juega el papel de una llave electrolítica que conecta la solución analizada al electrodo.

Arroz. 1. El circuito eléctrico de la celda de medición del medidor de pH.

En este caso, los valores de E k , E vn , E v son constantes y no dependen de la composición del medio analizado. El potencial de difusión E d es muy pequeño y puede despreciarse. Por lo tanto, el EMF total está determinado por la actividad de los iones de hidrógeno: E celda \u003d E x + E.

Por lo tanto, E cell \u003d f (pH), es decir, E cell es una función lineal del pH, que se utiliza en la medición eléctrica del pH.

La dependencia de la FEM de la celda de electrodos E del pH está determinada por las propiedades del electrodo del vidrio y se caracteriza por el coeficiente de pendiente S de las características del sistema de electrodos S= E/pH. Un cambio en la temperatura de la solución analizada afecta el EMF del sistema de electrodos, cambiando la pendiente de la característica estática nominal (NSH) del electrodo de medición. Si expresamos esta dependencia gráficamente (Fig. 2), obtenemos un montón de líneas que se cruzan. Las coordenadas del punto de intersección de las líneas rectas se denominan coordenadas del punto isopotencial (Е Н , рН Н ) y son las características más importantes del sistema de electrodos, que se guían por el cálculo del circuito de compensación de temperatura del medidor de pH. La compensación de temperatura de los cambios en el EMF del sistema de electrodos, por regla general, se realiza automáticamente (con la ayuda de un TS incluido en el circuito de un convertidor industrial de un medidor de pH).

>> ST.

Arroz. 2. NSH del electrodo de medición

Una celda de medición con un electrodo de vidrio se puede representar como un circuito equivalente (Fig. 3). La resistencia de la celda R es muy alta debido a la alta resistencia de la membrana del electrodo de vidrio R st (celda R 500 MΩ). Por lo tanto, el flujo de pequeñas corrientes a través de la resistencia interna de la celda provocará un gran error de medición:

UВХ \u003d EJCH - ICH RCH ; UВХ \u003d EYACH.

Puede verse a partir de la última igualdad que el principal requisito de medición U IN = E YCH puede cumplirse si R IN >> RCH , es decir,

R EN

Arroz. 3. Circuito equivalente de la celda de medida

8.1.2. Convertidores industriales para medidores de pH GSP

El conjunto de pH-metro industrial automático consta de un sensor sumergible (tipo DPg-4M) o un sensor principal (tipo DM-5M), un transductor de medición de alta resistencia y un dispositivo secundario GSP para fines industriales generales. La tarea del dispositivo de medición incluido en el kit del medidor de pH es medir la EMF del sistema de electrodos, que, en condiciones de temperatura constante, es una función del pH.

La medición precisa de la EMF de la celda de medición de un medidor de pH, que es una fuente de baja potencia, está asociada con dificultades significativas. En primer lugar, una corriente cuya densidad supere los 10-7 A/cm2 no puede pasar a través de la celda de medida, ya que puede producirse el fenómeno de polarización de los electrodos, por lo que los electrodos fallan. La segunda dificultad importante radica en el hecho de que al medir directamente la FEM de una celda de pH-metro con consumo de corriente, por ejemplo, un milivoltímetro, se crea un circuito eléctrico a través del cual fluye una corriente, que está determinada por la suma de las energías internas. resistencia del electrodo de medición (alrededor de 500 ... 1000 MΩ) y la resistencia del dispositivo de medición. En este caso, se deben cumplir una serie de condiciones: la corriente de medición debe ser menor que la corriente de polarización de los electrodos; la resistencia interna del dispositivo debe ser al menos 100 veces mayor que la resistencia del electrodo de vidrio, lo que, sin embargo, entra en conflicto con el requisito de alta sensibilidad del dispositivo. En este sentido, los convertidores con medición directa de EMF prácticamente no se utilizan.

El único método que satisface todos los requisitos para medir el EMF de una celda de medidor de pH es el método de medición de compensación (potenciométrico) o cero, cuya principal ventaja es la ausencia de corriente en el momento de la lectura. Sin embargo, no debe suponerse que con el método de compensación el electrodo no está cargado en absoluto y, por lo tanto, se excluye el fenómeno de la polarización del electrodo. Aquí, el flujo de corriente (dentro de 10-12 A) se explica por el hecho de que durante el proceso de medición siempre hay un desequilibrio, y en el momento de la medición, la compensación se logra solo con la precisión con la que la sensibilidad del indicador nulo permite.

Actualmente, solo se utilizan indicadores nulos electrónicos (transductores de medición) con compensación estática para medir la EMF de un sistema de electrodos con un electrodo de vidrio. Un diagrama de bloques simplificado que explica el principio de funcionamiento de dicho convertidor se muestra en la fig. 4. El convertidor es un amplificador de CC cubierto por una retroalimentación negativa profunda de la retroalimentación de la corriente de salida, lo que garantiza una gran resistencia de entrada. El amplificador está construido de acuerdo con el circuito para convertir voltaje directo en voltaje alterno con demodulación posterior.

Arroz. Fig. 4. Diagrama estructural del método para medir el EMF de la celda del pHmetro

El EMF E IA medido se compara con el voltaje U OUT formado a partir del flujo de la corriente de salida del amplificador I OUT a través de la resistencia R OS. La diferencia entre estos voltajes se alimenta a la entrada del amplificador U IN = E IJ -U OUT . Si la ganancia k \u003d U OUT / U IN, entonces E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). Con un valor suficientemente grande de k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , es decir la intensidad de la corriente de salida es prácticamente proporcional a la señal de entrada de la celda de medición del pH-metro.

El uso de compensación estática permite muchas veces reducir la corriente consumida desde la celda de medición durante el proceso de medición.

Este principio se implementa en casi todos los convertidores de pH industriales - medidores: pH-201, P201, P202, P205 (base de elemento semiconductor) y en P215 (usando microcircuitos estándar).

8.1.3. Descripción del convertidor P - 201

Los transductores industriales tipo P201 están diseñados para medir la actividad de iones de hidrógeno (valor de pH) de soluciones y pulpas en sistemas de control y regulación automáticos de procesos tecnológicos.

Los transductores están diseñados para funcionar con cualquier elemento sensible al pH comercialmente disponible, como DPg-4M; DM-5M y otros.

El convertidor tiene salidas de voltaje y corriente para conectar dispositivos secundarios con la entrada correspondiente

señales
	Características técnicas principales:
	límites de medición	-1 a 14 pH
	límite de básico permitido reducido
errores:
	a) Señales de salida de CC y
	voltaje de CC
	b) según el instrumento indicador
	medir la resistencia del vidrio
electrodo
	resistencia del electrodo auxiliar
	tiempo de estabilización	no más de 10 s
	corriente de salida	no más de 10 s
	corriente de salida
	tensión de salida
	tensión de salida	0 a 10 100mV

El convertidor está diseñado para instalarse muy cerca de unidades industriales. El transductor puede consistir en un dispositivo indicador de perfil estrecho y el propio transductor, instalado en un panel común o por separado, o solo un transductor. La apariencia del dispositivo se muestra en la fig. 5.

La carcasa 1 es de chapa de acero, la tapa 2 es de fundición, de aleación de aluminio. En la parte frontal de la cubierta hay una inscripción con el índice del dispositivo, una tapa 3 y un tapón roscado 4.

Arroz. 5. Aspecto del convertidor P201

Se instala un marco dentro de la carcasa, que sirve como base para instalar todos los bloques y elementos del dispositivo. En el panel frontal del convertidor, ubicado debajo de la tapa, se muestran los ejes de las resistencias variables, diseñadas para cambiar los límites de medición de los convertidores. El bloque con abrazaderas para conexiones eléctricas externas está ubicado en un compartimiento cerrado, se accede a él desde la pared posterior de la carcasa. Los cables se introducen en el compartimento a través de cuatro prensaestopas en la pared inferior del dispositivo (Fig. 6).

Arroz. Fig. 6. Esquema de conexiones eléctricas externas del convertidor P-201: TRM - medidor-regulador universal; TKR - bloque de resistencias de compensación de temperatura

8.1.4. Verificación y calibración de un medidor de pH automático

La verificación actual de un medidor de pH automático consiste en comparar sus lecturas con las de un dispositivo de control. Con una discrepancia significativa, las lecturas del dispositivo bajo prueba se corrigen usando un compensador o cambiando la calibración del transductor usando las perillas de sintonización. Excepto

Además, periódicamente se debe realizar una revisión más detallada del sensor y del transductor.

La comprobación del sensor incluye las siguientes operaciones:

1) cuidadoso examen externo, especialmente de aquellas partes que entran en contacto con el medio medido;

2) comprobar los circuitos eléctricos, en particular la resistencia de aislamiento del vidrio y los circuitos del electrodo de referencia de

con respecto a la caja, que debe ser de al menos 1012 ohmios y 2108 ohmios, respectivamente;

3) verificar las características del sistema de electrodos mediante soluciones tampón con un valor de pH conocido usando un medidor de pH de laboratorio de control.

La verificación del convertidor incluye:

1) determinación del principal error de medida del transductor y corrección de su calibración;

2) determinación de errores de medición adicionales del transductor a partir de un cambio en la resistencia del electrodo de vidrio R ST , cambios en la resistencia del electrodo de referencia RSR

y cambio en el potencial de la solución controlada E X .

Para calibrar la escala de los medidores de pH es necesario contar con un simulador de sistema de electrodos I-01 o I-02.

El simulador del sistema de electrodos le permite comprobar el rendimiento del sensor del pH-metro; la influencia de los cambios en la resistencia de los electrodos y el voltaje entre la solución y el cuerpo de la unidad en las lecturas del dispositivo; inmunidad al ruido de los medidores de pH.

Usando el simulador, puede reproducir los siguientes parámetros del sistema de electrodos:

a) tensión equivalente a la FEM del sistema de electrodos, en el rango de 0 a 1000 mV;

b) resistencia equivalente a la resistencia del electrodo de vidrio: 0; 500 y 1000 MΩ;

c) resistencia equivalente a la resistencia del electrodo auxiliar: 10 y 20 kOhm;

d) tensión equivalente a la EMF "tierra - solución": 0 y

El simulador es el equivalente eléctrico del sistema de electrodos (Fig. 7) y está diseñado como un dispositivo portátil alojado en una caja de acero con tapa removible.

E O Rv

Arroz. Fig. 7. Circuito equivalente del simulador del sistema de electrodos: R I – resistencia del electrodo de vidrio de medición; R B es la resistencia del electrodo auxiliar; E - EMF total del sistema de electrodos: E G - EMF "tierra - solución".

En el panel frontal del simulador hay terminales para conectarlo al medidor de pH verificado mediante el cable que se incluye en el kit. Las perillas para configurar el voltaje de salida requerido, la resistencia del electrodo, el potencial de solución controlada, etc. también se encuentran allí.

8.2. EQUIPOS E INSTRUMENTOS

1. convertidor industrial P-201.

2. Simulador de sistema de electrodos I-02.

3. Medidor-regulador universal multicanal TPM 138.

8.3. SECUENCIA DE TRABAJO

1. Montar la instalación para la verificación del convertidor. P-201 usando el simulador I-02 de acuerdo con el esquema de la fig. 8 conectando la salida del simulador a la entrada “Meas” y “Aux” del transductor mediante un cable coaxial.

2. Preparar el simulador para el trabajo. Para hacer esto, presione los interruptores del simulador: "R Y ” – botón 500; “EЗР”, “RВ” - botones

“00” para EZP y “010” para RB; “POWER” – botón “INTERNO” y “ON”.

3. Aplique energía al soporte.

Arroz. 8. Esquema de verificación: 1 – Simulador del sistema de electrodos I-02; 2 – sistema de electrodos; 3 - convertidor de alta resistencia P-201; 4 - medidor-regulador multicanal TPM 138

4. Use las flechas ^ v en TPM 138 para seleccionar el canal No. 5, a través del cual se cuenta el EMF.

5. Compruebe el convertidor.

Para esto:

5.1. Marque en los botones del interruptor "E, mV" del simulador el valor de EMF correspondiente al valor de pH de la marca de la escala digitalizada. El interruptor “EX , mV” se establece en la posición “+” o “-“ según el signo de la EMF en la tabla de calibración.

5.2. Para realizar una lectura de las indicaciones del simulador I-02. Determine el error de medición básico en RВ = 10

kiloohmios; EZ =0. El error principal se verifica en todas las marcas de escala digitalizadas durante la carrera de avance y retroceso y se calcula mediante la fórmula = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100 %, donde E 0 es tabular (el valor real del EMF del sistema de electrodos correspondiente a esta marca de escala digitalizada, mV, E: valor de EMF real, mV, E K, E N: valores de EMF correspondientes a las marcas de escala final e inicial.

6. Presentar los resultados de la verificación en un informe.

Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación Rusa

Agencia Federal para la Educación

Estado de Sarátov

Universidad Tecnica

Medición de electrodos

potenciales y fem

Pautas

en el curso "Electroquímica teórica"

para estudiantes de la especialidad

dirección 550800

Edición electrónica de distribución local

Aprobado

redacción y publicación

Consejo de Saratov

estado

Universidad Tecnica

Sarátov - 2006

Todos los derechos de reproducción y distribución en cualquier forma permanecen con el desarrollador.

Se prohíbe la copia y el uso ilegales de este producto.

Compilado por:

Editado por

Crítico

Biblioteca científica y técnica de la SSTU

Número de registro 060375-E

universidad técnica, 2006

Introducción

Uno de los conceptos fundamentales de la electroquímica son los conceptos de potencial electroquímico y EMF de un sistema electroquímico. Los valores de los potenciales de electrodo y EMF están asociados con características tan importantes de las soluciones de electrolitos como la actividad (a), el coeficiente de actividad (f), los números de transferencia (n+, n-). Al medir el potencial y la FEM del sistema electroquímico, se pueden calcular a, f, n+, n - electrolitos.

El propósito de las pautas es familiarizar a los estudiantes con ideas teóricas sobre las causas de los saltos de potencial entre un electrodo y una solución, con la clasificación de electrodos, dominando los fundamentos teóricos del método de compensación para medir potenciales de electrodo y EMF, utilizando este método para calcular los coeficientes de actividad y los números de transporte de iones en soluciones electrolíticas.

Conceptos básicos

Cuando un electrodo de metal se sumerge en una solución, aparece una doble capa eléctrica en la interfaz y, en consecuencia, aparece un salto de potencial.

La aparición de un salto potencial se debe a varias razones. Uno de ellos es el intercambio de partículas cargadas entre el metal y la solución. Cuando un metal se sumerge en una solución electrolítica, los iones metálicos, que salen de la red cristalina y pasan a la solución, aportan sus cargas positivas, mientras que la superficie del metal, en la que queda un exceso de electrones, se carga negativamente.

Otra razón para la aparición de potenciales es la adsorción selectiva de aniones de una solución salina acuosa en la superficie de algún metal inerte. La adsorción conduce a la aparición de un exceso de carga negativa en la superficie del metal y, además, a la aparición de un exceso de carga positiva en la capa de solución más cercana.

La tercera razón posible es la capacidad de las partículas polares sin carga para orientarse adsorbidas cerca del límite de fase. En la adsorción orientada, uno de los extremos del dipolo de una molécula polar mira hacia la interfaz y el otro hacia la fase a la que pertenece la molécula dada.

Es imposible medir el valor absoluto del salto de potencial en la interfase electrodo-solución. Pero es posible medir el EMF de un elemento compuesto por el electrodo en estudio y el electrodo, cuyo potencial se toma condicionalmente como cero. El valor obtenido de esta manera se denomina potencial "intrínseco" del metal - E.

Un electrodo de hidrógeno estándar sirve como electrodo, cuyo potencial de equilibrio se toma convencionalmente como cero.

Un potencial de equilibrio es un potencial caracterizado por un equilibrio establecido entre un metal y una solución salina. El establecimiento de un estado de equilibrio no significa que no ocurra ningún proceso en el sistema electroquímico. El intercambio de iones entre las fases sólida y líquida continúa, pero las tasas de tales transiciones se igualan. El equilibrio en el límite metal-solución corresponde a la condición

iA= yoPERO= yoO , (1)

dónde iA es la corriente del cátodo;

iO – corriente de intercambio.

Para medir el potencial del electrodo en estudio, se pueden usar otros electrodos, cuyo potencial se conoce en relación con el electrodo estándar de hidrógeno: electrodos de referencia.

Los principales requisitos para los electrodos de referencia son la constancia del salto de potencial y una buena reproducibilidad de los resultados. Ejemplos de electrodos de referencia son los electrodos del segundo tipo: calomelanos:

cl- / hg2 cl2 , hg

Electrodo de cloruro de plata:

cl- / AgCl, Ag

electrodo de sulfato de mercurio y otros. La tabla muestra los potenciales de los electrodos de referencia (según la escala de hidrógeno).

El potencial de cualquier electrodo - E, está determinado a una temperatura y presión dadas por el valor del potencial estándar y las actividades de las sustancias involucradas en la reacción del electrodo.

Si la reacción procede reversiblemente en un sistema electroquímico

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Los electrodos del segundo tipo son electrodos metálicos recubiertos con una sal poco soluble de este metal e inmersos en una solución de una sal muy soluble que tiene un anión común con una sal poco soluble: un ejemplo son los electrodos de cloruro de plata, calomelano, etc.

El potencial de un electrodo del segundo tipo, por ejemplo, un electrodo de cloruro de plata, se describe mediante la ecuación

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

Un electrodo redox es un electrodo hecho de un material inerte e inmerso en una solución que contiene alguna sustancia en forma oxidada y reducida.

Hay electrodos redox simples y complejos.

En los electrodos redox simples se observa un cambio en la valencia de la carga de la partícula, pero la composición química permanece constante.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Si denotamos los iones oxidados como Ox y los iones reducidos como Red, entonces todas las reacciones anteriores se pueden expresar mediante una ecuación general

Buey+ mi→Rojo

Un electrodo redox simple se escribe como un diagrama Rojo, Buey/ punto, y su potencial viene dado por la ecuación

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

La diferencia de potencial entre los dos electrodos cuando el circuito externo está apagado se denomina fuerza electromotriz (FEM) (E) del sistema electroquímico.

mi= mi+ - mi- (9)

Un sistema electroquímico que consta de dos electrodos idénticos sumergidos en una solución del mismo electrolito de diferentes concentraciones se denomina celda de concentración.

EMF en dicho elemento surge debido a la diferencia en las concentraciones de soluciones de electrolitos.

Técnica experimental

Método de compensación para medir EMF y potencial

Instrumentos y accesorios: Potenciómetro R-37/1, galvanómetro, batería, celdas Weston, electrodos de carbón, cobre, zinc, soluciones electrolíticas, electrodo de referencia de cloruro de plata, llave electrolítica, celda electroquímica.

Montar el esquema de instalación (Fig. 2)

mi. YO. - célula electroquímica;

mi. y. – electrodo investigado;

mi. Con. - electrodo de referencia;

mi. k.- llave electrolítica.

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las concentraciones de iones CrO42- y H+ son constantes e iguales a 0,2 g-ion/l y 3-ion/l la concentración de H+ varía y es: 3; 2; una; 0,5; 0,1 g-ion/l;

la concentración de iones CrO42-, Cr3+ son constantes e iguales a 2 g-ion/l y 0,1 g-ion/l, respectivamente, la concentración de iones H+ varía y es: 2; una; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g-ion/l.

Tarea 4

Medida del potencial de un sistema redox simple Mn+7, Mn2+ grafito.

la concentración del ion Mn2+ es constante e igual a 0,5 g-ion/l

la concentración de iones MnO2-4 cambia y es 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g-ion/l;

la concentración de iones MnO-4 es constante e igual a 1 g-ion/l

la concentración de iones Mn2+ v cambia y es: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g-ion/l.

Procesamiento de datos experimentales

1. Todos los datos experimentales obtenidos deben convertirse a la escala de hidrógeno.

3. Construya una dependencia gráfica del potencial de la concentración en las coordenadas E, lgC, saque una conclusión sobre la naturaleza de la influencia de la concentración de iones determinantes del potencial en el valor del potencial del electrodo.

4. Para elementos de concentración (tarea 2), calcule el salto de potencial de difusión φα utilizando la ecuación

φα = (10)

al medir EMF por el método de compensación

1. El potenciómetro debe estar conectado a tierra antes de la operación.

2. Cuando trabaje con baterías, debe:

Úselo para verificar el voltaje en las terminales con un voltímetro portátil;

Al ensamblar baterías en una batería, evite cortocircuitar la caja y los terminales para evitar quemaduras graves.

3. Después del trabajo, apague todos los dispositivos.

Literatura

1. Electroquímica de Antropov:

libro de texto / .- 2ª ed. revisado add.-M.: Escuela superior, 1984.-519s.

2.-Electroquímica de Rotinyan: libro de texto / ,

L.: Química, pág.

3. Damasco /, .- M .: Escuela Superior, 1987.-296s.

Qué campos electromagnéticos(fuerza electromotriz) en física? La corriente eléctrica no es entendida por todos. Como la distancia espacial, solo debajo de la nariz. En general, tampoco es completamente entendido por los científicos. suficiente para recordar Nikola Tesla con sus célebres experimentos, adelantados siglos a su tiempo y aún hoy envueltos en un halo de misterio. Hoy no estamos resolviendo grandes misterios, pero estamos tratando de averiguar que es fem en fisica.

Definición de CEM en física

campos electromagnéticos es la fuerza electromotriz. Denotado por letra mi o la letra griega minúscula épsilon.

Fuerza electromotriz- cantidad física escalar que caracteriza el trabajo de fuerzas externas ( fuerzas de origen no electrico) operando en circuitos eléctricos de corriente alterna y continua.

campos electromagnéticos, me gusta Voltaje e, medido en voltios. Sin embargo, EMF y voltaje son fenómenos diferentes.

Voltaje(entre los puntos A y B) - una cantidad física igual al trabajo del campo eléctrico efectivo realizado al transferir una unidad de carga de prueba de un punto a otro.

Te explicamos la esencia de EMF "en los dedos"

Para entender qué es qué, podemos dar un ejemplo de analogía. Imagina que tenemos una torre de agua completamente llena de agua. Compara esta torre con una batería.

El agua ejerce la máxima presión en la parte inferior de la torre cuando la torre está llena. En consecuencia, cuanto menos agua hay en la torre, más débil es la presión y la presión del agua que sale del grifo. Si abre el grifo, el agua fluirá gradualmente primero bajo una fuerte presión, y luego más y más lentamente hasta que la presión se debilite por completo. Aquí el estrés es la presión que el agua ejerce sobre el fondo. Para el nivel de voltaje cero, tomaremos la parte inferior de la torre.

Es lo mismo con la batería. Primero, incluimos nuestra fuente de corriente (batería) en el circuito, cerrándolo. Que sea un reloj o una linterna. Mientras el nivel de voltaje sea suficiente y la batería no esté descargada, la linterna brilla intensamente y luego se apaga gradualmente hasta apagarse por completo.

Pero, ¿cómo asegurarse de que la presión no se agote? En otras palabras, cómo mantener un nivel de agua constante en la torre y una diferencia de potencial constante en los polos de la fuente de corriente. Siguiendo el ejemplo de la torre, el EMF se presenta como una bomba, que asegura la entrada de agua nueva en la torre.

La naturaleza de la fem

La razón de la aparición de EMF en diferentes fuentes de corriente es diferente. De acuerdo con la naturaleza de la ocurrencia, se distinguen los siguientes tipos:

fem química Ocurre en baterías y acumuladores debido a reacciones químicas.
TermoEMF. Ocurre cuando se conectan contactos de conductores diferentes a diferentes temperaturas.
FEM de inducción. Ocurre en un generador cuando un conductor giratorio se coloca en un campo magnético. Se inducirá EMF en un conductor cuando el conductor cruce las líneas de fuerza de un campo magnético constante o cuando el campo magnético cambie de magnitud.
CEM fotoeléctrico. La aparición de este CEM se ve facilitada por el fenómeno de un efecto fotoeléctrico externo o interno.
fem piezoeléctrica Los campos electromagnéticos se producen cuando una sustancia se estira o comprime.

Queridos amigos, hoy hemos considerado el tema "EMF para Dummies". Como puede ver, la EMF fuerza de origen no electrico, que mantiene el flujo de corriente eléctrica en el circuito. Si desea saber cómo se resuelven los problemas con EMF, le recomendamos que se comunique con nuestros autores– especialistas escrupulosamente seleccionados y probados que explicarán de forma rápida y clara el curso de resolución de cualquier problema temático. Y por tradición, al final te invitamos a ver el video de entrenamiento. ¡Feliz visualización y buena suerte con tus estudios!

Los instrumentos para medir la temperatura de metales líquidos y EMF de sensores de actividad de oxígeno iM Sensor Lab están diseñados para medir termo-EMF provenientes de convertidores termoeléctricos primarios que miden la temperatura de metales líquidos (hierro fundido, acero, cobre y otros) y EMF generados por Sensores de actividad de oxígeno.

Descripción

Principio de operación

Las señales termo-EMF del convertidor termoeléctrico primario (termopar) y el EMF de los sensores de actividad de oxígeno (mV) suministrados a la entrada de "medición" del dispositivo para medir la temperatura de metales líquidos y el EMF de los sensores de actividad de oxígeno iM2 Sensor Lab se convierten en formato digital y, de acuerdo con el programa correspondiente, se convierten en valores de temperatura y actividad de oxígeno. Estas señales se reciben en ciclos de hasta 250 s-1. El dispositivo tiene 4 entradas: Ch0 y Ch2, para medir señales de termopares, y Ch1, Ch3, para medir señales EMF de sensores de actividad de oxígeno.

En el proceso de mediciones de temperatura, se realiza un análisis del cambio en la señal de entrada entrante para determinar su salida a lecturas estables (caracterizadas por los parámetros de la llamada "área de temperatura", determinada por la duración (tiempo) y altura (cambio de temperatura).Si durante el tiempo especificado por la longitud del área, el cambio real de temperatura no excede la altura especificada (es decir, el cambio de temperatura permisible), entonces el área se considera seleccionada. El dispositivo iM Sensor Lab para medir la temperatura de los metales líquidos y el EMF de los sensores de actividad de oxígeno promedia los valores del reloj de temperatura medidos a lo largo del área seleccionada y muestra el valor promedio como resultado de las mediciones en la pantalla.

De manera similar, las áreas correspondientes a la salida de EMF se asignan a lecturas estables, cuyas dimensiones también se establecen por la longitud (tiempo) y la altura (cambio permisible en el valor de EMF).

Además de medir la temperatura del baño, el dispositivo permite determinar la temperatura de liquidus del acero líquido, que se puede recalcular según la ecuación empírica del contenido de carbono. De acuerdo con los resultados de las mediciones de la EMF generada por sensores de actividad de oxígeno, la actividad de oxígeno en acero líquido, hierro fundido y cobre, el contenido de carbono en acero, el contenido de azufre y silicio en hierro fundido, la actividad de FeO (FeO + MnO ) en escorias metalúrgicas líquidas y algunos otros parámetros se determinan mediante cálculos asociados con el estado térmico y la composición química de los metales líquidos. El dispositivo también tiene la capacidad de determinar el nivel del baño (la posición del límite escoria-metal) analizando la tasa de cambios de temperatura cuando el termopar se sumerge en el baño y determinando el espesor de la capa de escoria con sondas especiales.

Los instrumentos para medir la temperatura de metales líquidos y el EMF de los sensores de actividad de oxígeno iM2 Sensor Lab tienen dos modificaciones, que difieren en la presencia o ausencia de una pantalla LCD táctil (Figura 1). En ausencia de pantalla, el dispositivo se controla desde un ordenador externo o desde una tableta industrial. En este caso, se suministra un software especial para la comunicación entre ellos.

La pantalla táctil está ubicada en el panel frontal de la carcasa del instrumento y muestra el progreso de las mediciones, sus resultados y otra información relacionada con las mediciones en forma digital y gráfica. La pantalla también muestra un menú en forma de pestañas de texto, que se utiliza para controlar el dispositivo, sus diagnósticos y ver datos sobre la ejecución.

Hoja No. 2 Total hojas 4

mediciones anteriores. En la modificación "sin pantalla", toda la información anterior se muestra en la pantalla de una computadora o tableta industrial.

Las tarjetas electrónicas del dispositivo para medir la temperatura de metales líquidos y el EMF de los sensores de actividad de oxígeno iM2 Sensor Lab están instaladas en una caja de acero a prueba de polvo hecha de acuerdo con el estándar de 19” para montaje en un bastidor de montaje o montaje en un escudo.

Las señales de los transductores primarios se pueden transmitir al dispositivo de dos maneras: por cable y por radio. En este último caso, el dispositivo se conecta a la unidad receptora (Receiver Box) a través de una interfaz serial y se instala un transmisor (QUBE) en el mango de las varillas sumergibles, que convierte las señales de los sensores en señales de radio transmitidas a la unidad receptora. Este último los recibe y los transfiere al dispositivo para su procesamiento.

El dispositivo no está sellado.

Software

La instalación del software (SW) se realiza en el fabricante. No es posible acceder a la parte metrológicamente significativa del software.

El diseño del MI excluye la posibilidad de influencia no autorizada en el software del instrumento de medición y la información de medición.

Nivel de protección del firmware contra modificaciones intencionales y no intencionales

Alto según R 50.2.077-2014.

Especificaciones

Las características metrológicas y técnicas de los dispositivos para medir la temperatura de metales líquidos y el EMF de los sensores de actividad de oxígeno iM2 Sensor Lab se dan en la Tabla 1. Tabla 1

* - sin tener en cuenta el error del convertidor primario, el cable de extensión y el sensor EMF.

Marca de aprobación de tipo

La marca de aprobación de tipo se aplica tipográficamente a la página de título de la documentación operativa por método tipográfico y en el panel frontal del instrumento por método de impresión offset.

Lo completo

La integridad del instrumento de medición se da en la Tabla 2. Tabla 2

Verificación

se lleva a cabo según MP RT 2173-2014 “Instrumentos para medir la temperatura de metales líquidos y CEM de sensores de actividad de oxígeno iM2 Sensor Lab. Metodología de verificación”, aprobado por el GCI SI FBU “Rostest-Moscow” el 26 de octubre de 2014.

Los principales medios de verificación se dan en la Tabla 3. Tabla 3

Información sobre los métodos de medición

La información sobre los métodos de medición se encuentra en el manual de instrucciones.

Documentos normativos y técnicos que establecen requisitos para instrumentos de medición de temperatura de metales líquidos y EMF de sensores de actividad de oxígeno iM2 Sensor Lab

1 Documentación técnica del fabricante Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. kg.

2 GOST R 52931-2008 “Instrumentos para monitorear y regular procesos tecnológicos. Condiciones técnicas generales".

3 GOST R 8.585-2001 “GSP. Termopares. Características nominales de conversión estática.

4 GOST 8.558-2009 “SGP. Esquema Estatal de Verificación de Instrumentos de Medición de Temperatura.

al realizar trabajos de evaluación de la conformidad de productos y otros objetos con requisitos obligatorios de acuerdo con la legislación de la Federación de Rusia sobre reglamentos técnicos.

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