§ XVI.2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ХЕМОТРОНЫ)

Электрохимическими преобразователями, или хемотронами, называют приборы и отдельные элементы устройств, принцип действия которых основан на законах электрохимии. Электрохимические системы такого рода выполняют роль диодов, датчиков, интеграторов, запоминающих устройств и соответственно выполняют функции выпрямления, усиления и генерирования электрических сигналов, измерения неэлектрических величин и др. В хемотронах происходят процессы преобразования электрической энергии в химическую, а также механической энергии в электрическую и др. В отличие от электронных устройств (ламповых и полупроводниковых), в которых перенос электричества осуществляется электронами, в электрохимических преобразователях заряды переносятся ионами. Согласно закону Фарадея, количество вещества, претерпевшего изменение на электроде, пропорционально количеству прошедшего электричества. Поэтому измеряя тем или иным способом количественное изменение вещества, можно определить количество электричества, т. е. интегрировать электрические сигналы. Для этого электрохимическая реакция должна быть: а) обратимой, т. е. реакция на аноде должна быть обратной реакции на катоде. Например, на аноде на катоде ; б) реакция должна быть единственной, иначе точное интегрирование тока затруднено; в) электролиты и электроды должны быть устойчивыми во времени; г) реакции на электродах должны протекать с достаточно высокими скоростями. Таким требованиям могут удовлетворять некоторые электрохимические реакции, характеризующиеся потенциалами, лежащими между потенциалами водородного и кислородного электродов (см. рис. VII.4). При отсутствии в системе газообразных водорода и кислорода и при малой электрохимической поляризации электродов на них будут протекать лишь основные реакции. Системой, удовлетворяющей указанным требованиям, может быть Потенциал ее положительнее потенциала водородного электрода и при отрицательнее потенциала кислородного электрода, поэтому в водных растворах в присутствии иода и ионов кислород и водород выделяться не будут. Эта реакция в прямом и обратном направлениях протекает с небольшой электрохимической поляризацией, следовательно, на электродах можно получить высокие скорости при малой затрате энергии. Аналогичными свойствами обладают некоторые другие системы, например:

Рассмотрим принцип устройства и работу счетчика (интегратора) количества электричества, в котором используется реакция

Рис. XVI.2. Схема хемотронного интегратора

системы иод — йодид. Счетчик (интегратор) предназначен для определения количества прошедшего электричества и представляет собой закрытую ячейку (рис. XVI.2), состоящую из платиновых анода и катода и раствора электролита между ними. В качестве электролита используется водный раствор Катодное пространство отделяется от анодного пористой диафрагмой, затрудняющей перемешивание растворов. При пропускании тока через ячейку на электродах протекают электрохимические реакции по уравнениям:

В результате этого увеличивается концентрация иода в анодном пространстве и ионов I- в катодном. По изменению концентрации веществ можно определить количество прошедшего электричества. Изменение концентрации иода и ионов I- можно определять различными способами. Чаще используются фотоколометрический способ и способ измерения Первый способ основан на измерении интенсивности окраски раствора в одном из отделений ячейки с помощью фотоколориметра (иод — окрашенное вещество, не имеет окраски). Измеряя разность потенциалов в анодном и катодном отделениях ячейки, по уравнению Нернста можно рассчитать изменение активностей иода и ионов I-. При необходимости систему можно регенерировать пропусканием тока в обратном направлении при переключении полюсов ячейки. В качестве интегратора может служить также электролизная ячейка, в которой на аноде происходит окисление меди: а на катоде — восстановление ионов меди: . Ионным проводником служить раствор Для повышения электрической проводимости раствора к нему добавляют Количество прошедшего электричества можно определить по изменению массы медного катода. Такие электрохимические ячейки, называемые кулонометрами, применяются для определения количества прошедшего электричества.

Интеграторы могут использоваться также в качестве счетчиков времени. На рис. XVI.3 представлен счетчик времени, который состоит из двух ртутных электродов и раствора электролита между ними. При протекании тока один электрод 3 растворяется, на другом электроде 1 выделяется металлическая ртуть, поэтому происходит перемещение границы электродов и пузырька раствора электролита 2 между ними. Последний и указывает время, прошедшее после начала включения интегратора.

Электрохимические ячейки, в которых происходит анодное растворение меди и катодное восстановление ионов

Рис. XVI.3. Схема счетчика времени: 1 — катод; 2 — раствор электролита; 3 - анод: 4 — корпус

Рис. XVI.4. Схема хемотронного управляемого сопротивления

используют также в качестве управляемых сопротивлений.

Собственно управляемым сопротивлением служит слой меди, являющийся катодом или анодом в электролитической ячейке, содержащей раствор (рис. XVI.4). Если управляемое сопротивление служит анодом, происходит окисление меди по уравнению Толщина слоя меди уменьшается и сопротивление слоя меди растет.

Если управляемое сопротивление подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока, происходит разряд ионов

Толщина слоя меди растет, и сопротивление слоя меди падает. Таким образом, слой меди (управляемое сопротивление) выполняет две функции. Как управляемое сопротивление, слой меди включается в электрическую схему, чаще всего в цепь переменного тока. Изменение сопротивления осуществляется пропусканием постоянного тока от другого источника через пленку меди. Одновременно слой меди является электродом электролизной ячейки. Управляемое сопротивление может быть также ячейкой памяти (мемистором), в которой хранится информация (количество прошедшего электричества).

При создании электрохимических преобразователей используют также законы кинетики электрохимических реакций. Согласно уравнению (VI1.19), максимальная скорость реакции (предельная плотность тока растет с увеличением концентрации реагентов в объеме раствора и уменьшением толщины диффузионного слоя

Соответственно максимальный (предельный) ток пропорционален произведению плотности тока на поверхность электрода

Изменяя поверхность электрода и концентрацию реагента, можно изменить ток, протекающий через ячейку.

На основе использования законов электрохимической кинетики созданы хемотронные диоды (выпрямители), датчики давления и скорости и др. Хемотронные диоды используют в низкочастотных цепях со слабыми сигналами при напряжениях ниже 0,3 В. Диод (рис. XVI.5) представляет собой закрытую ячейку,

Рис. XVI.5. Схема хемотронного

диода

заполненную раствором иодида калия и иода причем концентрация иодида калия значительно больше, чем концентрация иода ( и выше). В ячейке имеются два платиновых электрода: один — точечный с площадью поверхности второй — с площадью поверхности причем в раз больше Такая ячейка вводится в цепь переменного тока низкой частоты под напряжением 0,3 В и ниже.

Можно легко подсчитать по уравнению (XVI.7), что ток на точечном электроде всегда меньше тока на большом электроде, так как поверхность большого электрода на три-четыре порядка больше поверхности малого электрода, а разница в концентрациях иона и иода оставляет около двух порядков. Следовательно, и ток, проходящий через ячейку, будет определяться точечным электродом. Когда точечный электрод является анодом, на нем разряжаются ионы Предельный ток на этом электроде и соответственно ток, протекающий через ячейку (назовем его прямым током равны [см. уравнение (XVI.7)]:

При переключении полюсов, когда точечный электрод становится катодом, на нем разряжаются молекулы иода: Предельный ток на электроде и соответственно ток в ячейке (назовем его обратным током равны

Так как коэффициенты диффузии веществ мало отличаются друг от друга, то можно в первом приближении принять, что тогда получим соответствующие значения прямого и обратного токов ячейки

Так как то прямой ток ячейки значительно выше обратного тока. Таким образом, ток проходит в основном в прямом направлении, т. е. происходит его выпрямление и ячейка работает как диод. Уменьшая концентрацию можно снизить обратный ток до необходимых пределов.

Кроме рассмотренных созданы другие электрохимические преобразователи: мемисторы, датчики давления и вибрации, модуляторы света и др. Хемотроны обладают определенными достоинствами, открывающими перспективу их широкого применения в радиоэлектронных и кибернетических схемах. Достоинством хемотронных устройств является их простота, высокая чувствительность, малое потребление энергии, малые цена и размеры. К недостаткам хемотронов относятся невозможность

работы с ними на токах высокой частоты, при напряжениях выше 1 В, а также их инерционность.

Хемотроны применяют в качестве датчиков механических и акустических величин, выпрямителей, реле времени, запоминающих, интегрирующих и других элементов информационно-вычислительных комплексов и для других целей.