ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Электрический ток представляет собой поток электрических зарядов. Этот поток зарядов протекает по проводнику. В разд. 8.1 мы определили проводники двух типов.

Электронные проводники (проводники первого рода). Поток зарядов в электронном проводнике представляет собой поток электронов. Вследствие этого в электронном проводнике не происходит переноса вещества. К электронным проводникам принадлежат металлы.

Электролитические проводники (проводники второго рода). Поток зарядов в электролитическом проводнике обусловлен перемещением ионов. Таким образом, в данном случае происходит перенос вещества. Электролитические проводники называют электролитами. Ими могут быть чистые вещества, например расплавы солей, либо водные растворы солей, кислот или оснований.

Единицы измерения электрических величин

Основной единицей силы электрического тока (I) в Международной системе единиц (СИ) является ампер (А).

Электрический заряд (количество электричества) измеряют в кулонах (Кл). Кулон - это количество электрического заряда, переносимое током силой в один ампер

за одну секунду, т. е.

Протекание электрического тока в цепи происходит под действием электрического напряжения, или разности потенциалов. Эта величина обозначается символом V. В системе СИ напряжение измеряется в вольтах (В). При перемещении заряда величиной в один кулон между точками с разностью потенциалов в один вольт выполняется работа в один джоуль. Следовательно,

Разность потенциалов (напряжение) связана с силой электрического тока законом Ома:

Коэффициент пропорциональности в этом соотношении называется сопротивлением. Единицей сопротивления является ом (Ом). Для пропускания электрического тока через проводник с сопротивлением в один ом требуется разность потенциалов (напряжение) в один вольт. Следовательно,

Величину, обратную электрическому сопротивлению, называют электропроводностью. Она обозначается символом G. Единицей электропроводности является сименс (См). Таким образом,

Удельное сопротивление и электропроводность

Длина и площадь поперечного сечения проводника связаны с его сопротивлением R соотношением

где удельное сопротивление, - площадь поперечного сечения проводника в квадратных метрах (м2, l - длина проводника в метрах (м). Удельное сопротивление измеряется в единицах Ом•м.

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется электропроводностью (удельной электропроводностью) или электрической проводимостью и обозначается символом и (каппа). Таким образом,

Удельная электропроводность измеряется в единицах либо . Вместо этого для нее могут использоваться единицы либо . Нетрудно видеть, что

Удельная электропроводность (проводимость) раствора электролита называется его электролитической проводимостью.

Измерение электролитической проводимости

Для определения электролитической проводимости может использоваться кондукто-метрическая ячейка - стеклянный сосуд без дна с двумя электродами известной площади, прочно укрепленными на фиксированном расстоянии друг от друга. Электроды выполнены из платиновой черни. Ячейку погружают в раствор электролита как показано на рис. 10.1. Для приготовления исследуемого раствора должна использоваться специально подготовленная копдуктометрическая вода. Ее получают, пропуская обычную воду через ионообменную колонку (см. разд. 8.2). Обычная дистиллированная вода не пригодна для этих целей, поскольку она содержит следы ионов от растворенного Эти ионы обусловливают удельную проводимость воды порядка .

Сопротивление кондуктометрической ячейки измеряют при помощи специального прибора-мостика Уитстона (рис. 10.2). Скользящий контакт перемещается по проволочному сопротивлению до тех пор, пока осциллограф не зарегистрирует минимальный сигнал. В этом положении контакта (точка X) сопротивление ячейки определяется соотношением

Здесь - сопротивление реостата. После того, как найдено сопротивление ячейки, можно вычислить электролитическую проводимость раствора с помощью уравнения (2). Для измерения электролитической проводимости необходимо использовать высокочастотный источник переменного тока. Использование источника постоянного тока невозможно из-за того, что это вызовет электролиз раствора.

Отношение ЦА, входящее в уравнение (2), представляет собой постоянную величину, характерную для данной ячейки. Она называется постоянной ячейки. Ее можно определить, измеряя с помощью данной ячейки сопротивление какого-либо раствора с известной электролитической проводимостью. Для этой цели часто используется водный раствор хлорида кйлия концентрации 0,1 моль/дм3.

Пример

Установлено, что раствор хлорида калия концентрации 0,1 моль/дм3 имеет сопротивления 35,2 Ом. В той же кондуктометрической ячейке раствор нитрата серебра

Рис. 10.1. Кондуктометрическая ячейка.

Рис. 10.2. Мостик Уитстона.

концентрации 0,1 моль/дм3 имеет сопротивление 42,4 Ом. Зная, что электролитическая проводимость раствора хлорида калия равна См/см, вычислим: а) постоянную ячейки и б) электролитическую проводимость раствора нитрата серебра.

Решение

а) Постоянная ячейки определяется соотношением

Поскольку имеем

б) Электролитическая проводимость раствора концентрации определяется следующим образом: