Электропроводимость жидкостей: Методические указания...
TRANSCRIPT
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Фи з и ч е с к и й ф а к ул ь т е т
Кафедра общей физики
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Часть 3. Электричество и магнетизм
Новосибирск, 1988
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Лабораторная работа 2.5
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ
Цель работы - экспериментальное изучение законов протекания электрического тока через электролит.
Явления, происходящие в электролитах, подробно рассмотрены в учебнике /3/; укажем здесь лишь некоторые особенности происходящих в электролитах процессов, с которыми приходится сталкиваться при выполнении данной работы.
Погружение металла или диэлектрика в электролит сопровождается /13/ появлением на горниле их соприкосновения двойного электрического слоя толщиной в несколько характерных молекулярных расстояний mr ; граница двойного слоя со стороны жидкости не резкая, а диффузная. Между жидкостью и твердым телом возникает скачок потенциала. Напряженность поля внутри двойного слоя определяется контактирующими веществами и может достигать больших значений.
При продавливании /14/ электролита через капилляр или пористую перегородку некоторая часть заряда двойного слоя на расстояниях больших (2-3) mr от поверхности твердого тела может двигаться в направлении движения жидкости. Приближенная теория этого явления была разработана М. Смолуховским (1903г.) В соответствии с этой теорией движение электролита вдоль капилляра под действием электрического поля и возникновение электрического поля при продавливании электролита через капилляр представляют собой взаимно обратные явления.
Под действием поля E электролит в капилляре или пористой перегородке движется со скоростью v, определяемой соотношением
πηεξEfv ≈ ,(1)
где η и ε - вязкость и диэлектрическая постоянная раствора соответственно, f - числовой коэффициент, зависящий от размеров, проводимости материала капилляра и от концентрации ионов, о6разующих двойной электрический слой, обычно 0 < f < 0,25; ξ - электрокинетический потенциал, т.е. часть разности потенциалов двойного электрического слоя, соответствующая разности потенциалов той части этого слоя, которая перемещается относительно твердого тела. Для частиц кварца в воде, например, величина ξ (0,03 – 0,06) В.
Соотношение (1) позволяет оценить и разность потенциалов, возникающую при продавливании электролита через пористую перегородку. Следует при этом учитывать что v - скорость электролита не в центральной, а в пристеночной части капилляра.
Схема экспериментальной установки
Для проведения экспериментов используется плоская камера с электродами (см. схему), которая заполняется водным раствором нитрата калия (KNO3) малой концентрации. Вместо камеры можно использовать смоченную в этом растворе фильтровальную бумагу, аккуратно разложенную на плоском изоляторе. При подаче напряжения между плоскими металлическими электродами, положенными в камеру или на бумагу возникает электрический ток. Для визуализации движения ионов используется водный раствор перманганата калия (KMnO4) малой концентрации. Измеряя перемещение фиолетовых ионов MnO4
- можно определить их скорость и u подвижность µ , зависимость этих величин от напряженности поля E, в котором находятся ионы. В измеряемые величины вносит вклад диффузия ионов MnO4
- в растворе KNO3 . Проводя измерения с полем и без поля можно оценить коэффициент диффузии D и учесть его вклад в величины u и µ .
Скорость u! движения ионов в электрическом поле E!
определяется соотношение
Eu!! µ= (2)
Подвижность ионов K+, Na+, Cl- , NO3- в водных растворах имеет величину порядка 10-3см2/(Вс). Смещение ∆Χ иона за счет диффузии за время наблюдения t определяется выражением
Dt2=∆Χ (3)
Характерные значения D для указанных выше ионов в водных растворах составляют 10-5 см2/с.
Если диффузия происходит в электрическом поле, то подвижность и коэффициент диффузии связаны соотношением
kTe
D=µ (4)
где e - заряд электрона, k - постоянная Болъцмана,
T - температура в Кельвинах (К).
Задания
1. Измерьте подвижность µ анионов MnO4-. Оцените электропроводность
раствора и концентрацию, анионов.
2. Проверьте, выполняется ли закон Ома в электролитах.
3. Наблюдая за расплыванием пятна KMnO4 в камере при отсутствии напряжения, измерьте величину D.
4. Проверьте, с какой точностью измеренные величины удовлетворяют соотношению (4).
Указания и рекомендации
1. Используйте слабые раствори KNO3 и KMnO4 так как в растворах высокой концентрации изучаемые в работе процессы существенно усложняются.
2. При измерении D раствор KMnO4 наносите на фильтровальную бумагу с помощью стеклянной палочки так, чтобы нанесена была маленькая капля; измерения следует начинать не раньше чем через минуту после нанесения капли.
3. Определяя напряженность электрического поля, в котором находится ион, учитывайте образование двойного электрического слоя при контакте электролита с твердым телом и связанные с этим явления.
Контрольные вопросы
1. Докажите, что ион MnO4- придает водному раствору KMnO4 фиолетовую
окраску.
2. Каковы основные источники погрешностей величин µ и D?
3. Укажите достоинства и недостатки использования фильтровальной бумаги, смоченной водным раствором, вместо тонкого слоя этого раствора на дне камеры.
См. библиографический список: /3/; /13/; /14/.
Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988
Физический факультет НГУ,1999
Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/