- Введення і визначення
- Питома електрична провідність електролітів і її вимір
- Загальна мінералізація
- Експеримент: вимір загальної мінералізації та провідності
Введення і визначення
Питома електрична провідність електролітів і її вимір
Загальна мінералізація
Експеримент: вимір загальної мінералізації та провідності
Введення і визначення
Питома електрична провідність (або питома електропровідність) є мірою здатності речовини проводити електричний струм або переміщати електричні заряди в ньому. Це відношення щільності струму до напруженості електричного поля. Якщо розглянути куб з провідного матеріалу зі стороною 1 метр, то питома провідність буде дорівнює електричної провідності, яка вимірюється між двома протилежними сторонами цього куба.
Питома провідність пов'язана з провідністю наступною формулою:
де G - електрична провідність, σ - питома електрична провідність, А - поперечний переріз провідника, перпендикулярний напрямку електричного струму і l - довжина провідника. Цю формулу можна використовувати з будь-яким провідником у формі циліндра або призми. Відзначимо, що цю формулу можна використовувати і для прямокутного паралелепіпеда, тому що він є окремим випадком призми, підставою якої є прямокутник. Нагадаємо, що питома електрична провідність - величина, зворотна питомому електричному опору.
Людям, далеким від фізики і техніки, буває складно зрозуміти різницю між провідністю провідника і питомою провідністю речовини. Тим часом, звичайно, це різні фізичні величини. Провідність - це властивість даного провідника або пристрої (наприклад, резистора або гальванічної ванни), в той час як питома провідність - це невід'ємна властивість матеріалу, з якого виготовлені цей провідник або пристрій. Наприклад, питома провідність міді завжди однакова, незалежно від того як змінюється форма і розміри предмета з міді. У той же час, провідність мідного дроту залежить від його довжини, діаметру, маси, форми і деяких інших чинників. Звичайно, схожі об'єкти з матеріалів з більш високою питомою провідністю мають більш високу провідність (хоча і не завжди).
Питома провідність міді - величина постійна і не залежить від форми і розмірів предметів, виготовлених з міді
У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею питомої електричної провідності є сіменс на метр (См / м). Вхідна в неї одиниця провідності названа на честь німецького вченого, винахідника, підприємця Вернера фон Сіменса (1816-1892 рр.). Заснована ним в 1847 р компанія Siemens AG (Сіменс) є однією з найбільших компаній, що випускають електротехнічне, електронне, енергетичне, транспортне та медичне обладнання.
Зліва: Вернер фон Сіменс (джерело: Вікіпедія); справа: центральний офіс Siemens Canada Limited в Оквілле, Онтаріо.
Діапазон питомих електричних провідностей дуже широкий: від матеріалів, що володіють високим питомим опором, таких як скло (яке, між іншим, добре проводить електричний струм, якщо його нагріти до червоного) або поліметилметакрилат (органічне скло) до дуже хороших провідників, таких як срібло, мідь або золото. Питома електрична провідність визначається кількістю зарядів (електронів та іонів), швидкістю їх руху і кількістю енергії, яку вони можуть переносити. Середніми значеннями питомої провідності володіють водні розчини різних речовин, які використовуються, наприклад, в гальванічних ваннах. Іншим прикладом електролітів з середніми значеннями питомої провідності є внутрішнє середовище організму (кров, плазма, лімфа та інші рідини).
Провідність металів, напівпровідників і діелектриків детально обговорюється в наступних статтях Конвертера фізичних величин TranslatorsCafe.com: Детальніше про електричний опір , Детальніше про питому електричному опорі і електрична провідність . У цій статті ми обговоримо докладніше питому провідність електролітів, а також методи і просте обладнання для її вимірювання.
Питома електрична провідність електролітів і її вимір
Внутрішнє середовище організму - кров, лімфа, тканинна рідина - це все електроліти з високою концентрацією хлориду натрію та інших солей; питома провідність цільної крові при 37 ° C - приблизно 0,54 См / м
Питома провідність водних розчинів, в яких електричний струм виникає в результаті руху заряджених іонів, визначається кількістю носіїв заряду (концентрацією речовини в розчині), швидкістю їх руху (рухливість іонів залежить від температури) і зарядом, які вони несуть (яка визначається валентністю іонів). Тому в більшості водних розчинів підвищення концентрації призводить до збільшення числа іонів і, отже, до збільшення питомої провідності. Однак після досягнення певного максимуму питома провідність розчину може почати зменшуватися при подальшому збільшенні концентрації розчину. Тому розчини з двома різними концентраціями однієї і тієї ж солі можуть мати однакову питому провідність.
Температура також впливає на провідність, так як при підвищенні температури іони рухаються швидше, що призводить до збільшення питомої провідності. Чиста вода - поганий провідник електрики. Звичайна дистильована вода, в якій міститься в рівноважному стані вуглекислий газ з повітря і загальна мінералізація менше 10 мг / л, має питому електричну провідність близько 20 мСм / см. Питома провідність різних розчинів наведена нижче в таблиці.
Питома провідність дистильованої води приблизно 0,055 мкСм / см
Питома провідність різних водних розчинів при 25 ° С Чиста вода 0,055 мкСм / см Деионизированная вода 1,0 мкСм / см Дощова вода 50 мкСм / см Питна вода 50-500 мкСм / см Побутові стічні води 0,05-1,5 мСм / см промислові стічні води 0,05-10 мСм / см Морська вода 50 мСм / см Хлорид натрію, 1 моль / л 85 мСм / см Хлористоводнева (соляна) кислота 1 моль / л 332 мСм / см
Два електрода датчика питомої провідності (ліворуч) і датчик температури (праворуч), який використовується для автоматичної температурної компенсації вимірювань в приладі для визначення мінералізації води (англ. Total Dissolved Solids, TDS.)
Для визначення питомої провідності розчину використовується вимірювач опору (омметр) або провідності. Це практично однакові пристрої, що відрізняються тільки шкалою. Обидва вимірюють падіння напруги на ділянці кола, по якому протікає електричний струм від батареї приладу. Виміряне значення провідності вручну або автоматично перераховується в питому провідність. Це здійснюється з урахуванням фізичних характеристик вимірювального пристрою або датчика. Датчики питомої провідності влаштовані просто: це пара (або дві пари) електродів, занурених у електроліт. Датчики для вимірювання питомої провідності характеризуються постійної датчика питомої провідності, яка в найпростішому випадку визначається як відношення відстані між електродами D до площі (електрода), перпендикулярної течією струму А
Ця формула добре працює, якщо площа електродів значно більше відстані між ними, так як в цьому випадку велика частина електричного струму протікає між електродами. Приклад: для 1 кубічного сантиметра рідини K = D / A = 1 см / 1 см² = 1 см⁻¹. Відзначимо, що датчики питомої провідності з маленькими електродами, розсунутими на відносно велику відстань, характеризуються значеннями постійної датчика 1.0 cm⁻¹ і вище. У той же час, датчики з відносно великими електродами, розташованими близько один до одного, мають постійну 0,1 cm⁻¹-менш. Постійна датчика для вимірювання питомої електричної провідності різних пристроїв знаходиться в межах від 0,01 до 100 cm⁻¹.
Теоретична постійна датчика: зліва - K = 0,01 см⁻¹, праворуч - K = 1 см⁻¹
Для отримання питомої провідності з виміряної провідності використовується наступна формула:
де
σ - питома провідність розчину в См / см;
K - постійна датчика в см⁻¹;
G - провідність датчика в Сіменс.
Постійну датчика зазвичай не розраховують на його геометричні розміри, а вимірюють в конкретному вимірювальному пристрої або в конкретній вимірювальній установці з використанням розчину з відомою провідністю. Ця виміряна величина і вводиться в прилад для вимірювання питомої провідності, який автоматично розраховує питому провідність по виміряним значенням провідності або опору розчину. У зв'язку з тим, що питома провідність залежить від температури розчину, пристрої для її вимірювання часто містять датчик температури, який вимірює температуру і забезпечує автоматичну температурну компенсацію вимірювань, тобто, приведення результатів до стандартної температурі 25 ° C.
Найпростіший спосіб вимірювання провідності - прикласти напругу до двох плоским електродів, зануреним у розчин, і виміряти протікає струм. Цей метод називається потенциометрическим. Згідно із законом Ома, провідність G є відношенням струму I до напруги U:
Однак не все так просто, як описано вище - при вимірюванні провідності є багато проблем. Якщо використовується постійний струм, іони збираються у поверхонь електродів. Також у поверхонь електродів може виникнути хімічна реакція. Це призводить до збільшення поляризаційного опору на поверхнях електродів, що, в свою чергу, призводить до отримання помилкових результатів. Якщо спробувати виміряти звичайним тестером опір, наприклад, розчину хлористого натрію, буде добре видно, як свідчення на дисплеї цифрового приладу досить швидко змінюються в сторону збільшення опору. Щоб виключити вплив поляризації, часто використовують конструкцію датчика з чотирьох електродів.
Поляризацію також можна запобігти або, в усякому разі, зменшити, якщо використовувати при вимірюванні змінний струм замість постійного, та ще й підлаштовувати частоту в залежності від провідності. Низькі частоти використовуються для вимірювання низької питомої провідності, при якій вплив поляризації невелика. Більш високі частоти використовуються для вимірювання високих провідностей. Зазвичай частота підлаштовується в процесі вимірювання автоматично, з урахуванням отриманих значень провідності розчину. Сучасні цифрові двохелектродні вимірювачі провідності зазвичай використовують змінний струм складної форми і температурну компенсацію. Вони відкалібровані на заводі-виробнику, проте в процесі експлуатації часто потрібна повторна калібрування, так як постійна вимірювальної комірки (датчика) змінюється з часом. Наприклад, вона може змінитися при забрудненні датчики або при фізико-хімічних змінах електродів.
У традиційному двоелектродної вимірнику питомої провідності (саме такий ми будемо використовувати в нашому експерименті) між двома електродами прикладена змінна напруга і вимірюється протікає між електродами струм. Цей простий метод має один недолік - вимірюється не тільки опір розчину, а й опір, викликане поляризацією електродів. До відома впливу поляризації до мінімуму використовують чотириелектродні конструкцію датчика, а також покриття електродів платинової черню.
Загальна мінералізація
Пристрої для вимірювання питомої електричної провідності часто використовують для визначення загальної мінералізації або змісту твердих речовин (англ. Total dissolved solids, TDS). Це міра загальної кількості органічних і неорганічних речовин, що містяться в рідині в різних формах: іонізованої, молекулярної (розчиненої), колоїдної та у вигляді суспензії (нерозчиненої). До розчиненим речовин відносяться будь-які неорганічні солі. Головним чином, це хлориди, бікарбонати і сульфати кальцію, калію, магнію, натрію, а також деякі органічні речовини, розчинені у воді. Щоб ставитися до загальної мінералізації, речовини повинні бути або розчиненими, або в формі дуже дрібних частинок, які проходять крізь фільтри з діаметром пор менше 2 мікрометрів. Речовини, які постійно перебувають в розчині в підвішеному стані, але не можуть пройти крізь такий фільтр, називається зваженими твердими речовинами (англ. Total suspended solids, TSS). Загальна кількість зважених речовин зазвичай вимірюється для визначення якості води.
Галерея фільтрації води на водоочисних спорудах ім. Р. К. Харріса в Торонто, Онтаріо, Канада
Існує два методи вимірювання вмісту твердих речовин: гравіметричний аналіз, який є найбільш точним методом, і вимір питомої провідності. Перший метод - найточніший, але вимагає великих витрат часу і наявності лабораторного обладнання, так як воду потрібно випарувати до отримання сухого залишку. Зазвичай це робиться при температурі 180 ° C в лабораторних умовах. Після повного випаровування залишок зважується на точних вагах.
Другий метод не такий точний, як гравиметрический аналіз. Однак він дуже зручний, широко поширений і є найбільш швидким методом, тому що являє собою просте вимірювання провідності і температури, яке виконує за кілька секунд недорогим вимірювальним приладом. Метод вимірювання питомої електропровідності можна використовувати в зв'язку з тим, що питома провідність води прямо залежить від кількості розчинених у ній іонізованих речовин. Даний метод особливо зручний для контролю якості питної води або оцінки загальної кількості іонів в розчині.
Виміряна провідність залежить від температури розчину. Тобто, чим вище температура, тим вище провідність, так як іони в розчині при підвищенні температури рухаються швидше. Для отримання вимірювань, незалежних від температури, використовується концепція стандартної (опорної) температури, до якої наводяться результати вимірювання. Опорна температура дозволяє порівняти результати, отримані при різних температурах. Таким чином, вимірювач питомої провідності може вимірювати реальну провідність, а потім використовувати коригувальну функцію, яка автоматично призведе результат до опорної температурі 20 або 25 ° C. Якщо необхідна дуже висока точність, зразок можна помістити в термостат, потім відкалібрувати вимірювальний прилад при тій же температурі, яка буде використовуватися при вимірах.
Більшість сучасних вимірювачів питомої провідності забезпечені вбудованим датчиком температури, який використовується як для температурної корекції, так і для вимірювання температури. Найдосконаліші прилади здатні вимірювати і відображати виміряні значення в одиницях питомої провідності, питомого опору, солоності, загальної мінералізації та концентрації. Однак ще раз зазначимо, що всі ці прилади показують тільки провідність (опір) і температуру. Всі фізичні величини, які показує дисплей, розраховуються приладом з урахуванням виміряної температури, яка використовується для автоматичної температурної компенсації і приведення виміряних значень до стандартної температури.
Експеримент: вимір загальної мінералізації та провідності
На закінчення ми виконаємо кілька експериментів по вимірюванню питомої провідності за допомогою недорогого вимірювача загальної мінералізації (званого також солеміром, салінометром або Кондуктоміри) TDS-3. Ціна «безіменного» приладу TDS-3 на eBay з урахуванням доставки на момент написання статті менш US $ 3.00. Точно такий же прилад, але з назвою виробника коштує вже в 10 раз дорожче. Але це для любителів платити за бренд, хоча дуже висока ймовірність того, що обидва прилади будуть випущені на одному і тому ж заводі. TDS-3 здійснює температурну компенсацію і для цього забезпечений датчиком температури, розташованим поруч з електродами. Тому його можна використовувати і в якості термометра. Слід ще раз відзначити, що прилад реально вимірює не саму мінералізацію, а опір між двома дротяними електродами і температуру розчину. Все інше він автоматично розраховує з використанням калібрувальних коефіцієнтів.
Вимірювач загальної мінералізації або вмісту твердих речовин TDS-3; зліва показані вимірювальні електроди і датчик температури; цей прилад часто називають солеміром
Вимірювач загальної мінералізації допоможе визначити зміст твердих речовин, наприклад, при контролі якості питної води або визначення солоності води в акваріумі або в прісноводому ставку. Його можна також використовувати для контролю якості води в системах фільтрації та очищення води, щоб дізнатися коли прийшов час замінити фільтр або мембрану. Прилад відкалібрований на заводі-виробнику за допомогою розчину хлориду натрію NaCl з концентрацією 342 ppm (частин на мільйон або мг / л). Діапазон вимірювання приладу - 0-9990 ppm або мг / л. PPM - мільйонна частка, безрозмірна одиниця виміру відносних величин, що дорівнює 1 • 10⁻⁶ від базового показника. Наприклад, масова концентрація 5 мг / кг = 5 мг в 1 000 000 мг = 5 частин на мільйон або мільйонних часток. Точно так же, як відсоток є однією сотою часткою, мільйонна частка є однієї мільйонної часткою. Відсотки і мільйонні частки за змістом дуже схожі. Мільйонні частки, на відміну від відсотків, зручні для вказівки концентрації дуже слабких розчинів.
Прилад вимірює електричну провідність між двома електродами (тобто величину, зворотну опору), потім перераховує результат в питому електричну провідність (в англомовній літературі часто використовують скорочення EC) за наведеною вище формулою провідності з урахуванням постійної датчика K, потім виконує ще один перерахунок, множачи отриману питому провідність на коефіцієнт перерахунку 500. в результаті виходить значення загальної мінералізації в мільйонних частках (ppm). Детальніше про це - нижче.
Осцилограма сигналу на сухих електродах вимірювача загальної мінералізації TDS-3; частота 20 Гц, пікове значення амплітуди 4,4 В; використання змінної напруги дозволяє зменшити поляризацію електродів і підвищити точність вимірювань
Даний прилад для вимірювання загальної мінералізації не можна використовувати для перевірки якості води з високим вмістом солей. Прикладами речовин з високим вмістом солей є деякі харчові продукти (звичайний суп з нормальним вмістом солі 10 г / л) і морська вода. Максимальна концентрація хлориду натрію, яку може виміряти цей прилад - 9990 ppm або близько 10 г / л. Це звичайна концентрація солі в харчових продуктах. Даним приладом також можна виміряти солоність морської води, так як вона зазвичай дорівнює 35 г / л або 35000 ppm, що набагато вище, ніж прилад здатний виміряти. При спробі виміряти таку високу концентрацію прилад виведе повідомлення про помилку Err.
Солемір TDS-3 вимірює питому провідність і для калібрування і перерахунку в концентрацію використовує так звану «шкалу 500» (або «шкалу NaCl»). Це означає, що для отримання концентрації в мільйонних частках значення питомої провідності в мСм / см множиться на 500. Тобто, наприклад, 1,0 мСм / см множиться на 500 і виходить 500 ppm. У різних галузях промисловості використовують різні шкали. Наприклад, в гідропоніці використовують три шкали: 500, 640 і 700. Різниця між ними тільки в використанні. Шкала 700 заснована на вимірі концентрації хлориду калію в розчині і перерахунок питомої провідності в концентрацію виконується так:
Шкала 640 використовує коефіцієнт перетворення 640 для перетворення мСм в ppm:
У нашому експерименті ми спочатку виміряємо загальну мінералізацію дистильованої води. Солемір показує 0 ppm. Мультиметр показує опір 1,21 МОм.
Вимірювання вмісту твердих речовин в дистильованої воді (0 ppm) і опору між двома електродами в дистильованої воді (1,21 МОм)
Для експерименту приготуємо розчин хлориду натрію NaCl з концентрацією 1000 ppm і виміряємо концентрацію за допомогою TDS-3. Для приготування 100 мл розчину нам потрібно розчинити 100 мг хлориду натрію і долити дистильованої води до 100 мл. Зважимо 100 мг хлориду натрію і помістимо його в мірний циліндр, додамо трохи дистильованої води і розмішати до повного розчинення солі. Потім доллємо воду до мітки 100 мл і ще раз як слід розмішати.
Зліва направо: зважування 100 мг NaCl; 100 мл розчину NaCl; вимірювання концентрації за допомогою приладу TDS-3; мультиметром пізніше буде виміряно опір між двома електродами
Як видно на малюнку, TDS-3 виміряв концентрацію 955 ppm. Провідність такого розчину повинна бути 1000 ppm / 500 = 2 мСм / см (шкала NaCl або шкала 500).
Вимірювання опору між двома електродами, виготовленими з того ж матеріалу і з тими ж розмірами, що і електроди TDS-3; мультиметр показує 2,5 КОм
Для експериментального визначення провідності ми використовували два електроди, виготовлені з того ж матеріалу і з тими ж розмірами, що і електроди TDS-3. Виміряний опір склало 2,5 КОм.
Тепер, коли нам відомо опір і концентрація хлориду натрію в мільйонних частках, ми можемо приблизно розрахувати постійну вимірювальної осередки солеміра TDS-3 за наведеною вище формулою:
Електроди приладу TDS-3
Це значення 5 см⁻¹ близько до розрахункової величини постійної вимірювальної осередки TDS-3 з зазначеними нижче розмірами електродів (див. Малюнок).
- D = 0,5 см - відстань між електродами;
- W = 0,14 см - ширина електродів
- L = 1,1 см - довжина електродів
Постійна датчика TDS-3 дорівнює K = D / A = 0,5 / 0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Це не сильно відрізняється від отриманого вище значення. Нагадаємо, що наведена вище формула дозволяє лише приблизно оцінити постійну датчика.
Автор статті: Анатолій Золотков
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
