Меню

Значения потенциалов под током

Лекция 9. Поляризация и перенапряжение

Методы измерения потенциала под током. Гальваностатический (гальванодинамический) и потенциостатический (потенциодинамический) методы получения поляризационной кривой. Стадии гетерогенной реак­ции. Понятие лимитирующей стадии. Классификация перенапряжений.

Ранее был рассмотрен медно-цинковый гальванический элемент с напряжением U ≈ 1,1 В. Как изменится измеренное значение напряжения этого элемента, если его измерить приборами с разными входными сопротивлениями? При проведении измерений прибором с высоким входным сопротивлением (например, мостом постоянного тока или ламповым вольтметром) и вольтметром с низким входным сопротивлением мы получим разные значения напряжений. Если в системе протекает ток, то потенциал будет смещаться от равновесного значения (рис. 9.1). В.Нернстом было введено понятие перенапряжения (overpotential). Перенапряжение h определяется как разность между потенциалом под током j(i) и равновесным потенциалом, который определяется по уравнению В. Нернста. Потенциал под током всегда будет отличаться от равновесного значения jр, причем чем больше будет величина проходящего тока, тем больше будет отличие (и наоборот).

Таким образом, можно записать:

Рис. 9.1. Изменение потенциала под током.

Разница между потенциалом под током и потенциалом обесточенного электрода называется поляризацией. Зависимость тока (плотности тока) от потенциала или перенапряжения называется поляризационной зависимостью. Обычно эта зависимость нелинейна (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Различные формы поляризационных кривых.

Для того чтобы измерить потенциал (перенапряжение) необходимо измерить потенциал под током или ток при определённом потенциале. Приборы, которые позволяют осуществить подобные измерения, называются потенциостатами (гальваностатами). При использовании потенциостатического метода измерений задаётся потенциал электрода относительно стандартного электрода сравнения и измеряется ток (плотность тока) рабочего (исследуемого) электрода. Такой метод называется потенциостатическим. Возможен и другой метод, при котором задается ток (плотность тока), а измеряется потенциал. Такой метод называется гальваностатическим. В том случае, когда потенциал или ток электрода изменяются с определённой скоростью, метод измерений носит название потенциодинамического (гальванодинамического) метода.

Подобные измерения важны потому, что в одних и тех же условиях гальваностатический (гальванодинамический) и потенциостатический (потенциодинамический) методы могут давать разные результаты.

Например: в случае поляризационной кривой, изображенной на рис. 9.3 одной величине тока i1 соответствуют, как минимум, три значения получаемых потенциалов.

Рис. 9.3. Возможность получения различных значений потенциалов при гальваностатическом методе измерения зависимости плотности тока от потенциала

Совершенно очевидно, что в этих условиях приемлемым методом является только потенциостатический или потенциодинамический метод. Очевидно также, что и потенциостатический и гальваностатический методы можно использовать только при применении трёхэлектродной ячейки. Один из электродов при этом является рабочим (анодом или катодом), а другой – электродом сравнения (водородный, хлорсеребряный, каломельный и др.). Третьим же электродом является вспомогательный электрод, обеспечивающий прохождение тока через ячейку. При этом разница потенциалов под током между рабочим электродом и электродом сравнения измеряется прибором с высоким входным сопротивлением (высокоомным вольтметром). Это означает, что ток в цепи рабочего электрода и электродов сравнения пренебрежимо мал по сравнению с током между рабочим электродом и вспомогательным. Меняя ток или потенциал между рабочим электродом и электродом сравнения (вспомогательным электродом) и измеряя ток (потенциал), можно получить зависимость плотности тока от перенапряжения, т.е. зависимость скорости электродной реакции и соответственно скорости, например, электрохимической обработки от потенциала.

Сам электрохимический процесс состоит из нескольких стадий, однако, как правило, только одна из стадий (самая медленная) определяет скорость реакции. Такая стадия носит название лимитирующей. Именно она определяет общую скорость электрохимического процесса.

Чтобы увеличить скорость процесса необходимо, прежде всего, воздействовать на лимитирующую стадию.

В электрохимических процессах лимитирующими могут быть следующие стадии:

1. Стадия перехода (переноса заряда).

2. Стадия химической реакции (которая предшествует или следует после стадий переноса заряда).

3. Стадия диффузии (конвективной диффузии) – подвод или отвод реагента (продуктов реакции) от (к) поверхности электрода.

4. Стадия кристаллизации (при электроосаждении или образовании кристаллических анодных пленок).

5. Стадия адсорбции.

Если какая-либо из этих стадий будет определять скорость всей (общей) реакции, то тогда перенапряжение будет определяться этой стадией. Поэтому для стадии 1 -это перенапряжение перехода (переноса заряда). Для стадии 2 -это перенапряжение реакции. Для стадии 3 -это перенапряжение диффузии. Соответственно перенапряжение кристаллизации и адсорбционное перенапряжение. Сумма перенапряжений реакции и диффузии (конвективной диффузии) носит название концентрационного перенапряжения.

Читайте также:  Единицы измерения тока погрешность

Для каждого из видов перенапряжения характерны свои особенности, и их надо знать, чтобы иметь возможность воздействовать на лимитирующую стадию и тем самым управлять скоростью электрохимической реакции.

Источник

Электрический заряд, напряжение, напряженность, потенциал

ads

Любой физический объект в окружающем нас мире состоит из огромного количества элементарных частиц, обладающих зарядами. Элементарная частица протон имеет элементарный электрический заряд, которому приписывают (условно) положительный знак, элементарная частица электрон имеет элементарный отрицательный заряд.

Содержание:

Электрический заряд

Под электрическим зарядом понимают физическую величину, которая характеризует способность тел (объектов) вступать в электрическое взаимодействие. Электрический заряд обозначается через q (иногда для обозначения используют заглавную букву Q) и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Кулонах, [Кл].

Электрический заряд – дискретная величина, кратная элементарному электрическому заряду одного электрона (по модулю) e = 1,60217*10 -9 Кл.

Формула Электрического заряда

где N – целое число.

С физической точки зрения 1 кулон [Кл] соответствует электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду.

Заряды существуют в двух видах: положительные (+) и отрицательные (-). Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Сила взаимодействия зарядов направлена вдоль прямой, соединяющей их, пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (рисунок 1).

Формула кулоновская сила

Сила взаимодействия зарядов

Рис. 1. Сила взаимодействия зарядов

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц;

– единичный вектор, направленный вдоль прямой, соединяющей заряды q1 и q2.

Силу взаимодействия двух зарядов принято называть кулоновской силой в честь ученого-физика Шарля Кулона, обнаружевшего ее существование.

Если объект (система) не обменивается зарядами с окружающей средой, его называют электрически изолированным. В такой системе сумма электрических зарядов (положительных и отрицательных) не меняется со временем, то есть наблюдается закон сохранения заряда.

Большинство тел в природе электрически нейтральны, так как содержат заряды обоих типов в одинаковом количестве. Положительные и отрицательные заряды попарно нейтрализуют действие друг друга. Для перехода тела в заряженное состояние необходимо пространственно перераспределить в нем заряды, сконцентрировав одноименные заряды в одной области тела. Это возможно сделать, например, при помощи трения или взаимодействия с другим заряженным объектом (рисунок 2).

Переход незаряженного объекта в заряженное состояние

Рис. 2. Переход незаряженного объекта в заряженное состояние

Электрический заряд порождает в окружающем его пространстве непрерывную материю, называемую электрическим полем. Благодаря электрическому полю заряды имеют возможность взаимодействовать между собой. В электротехнике электрическое поле характеризуется двумя величинами: напряженностью (силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика).

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поляэто векторная физическая количественная характеристика электрического поля. Ее величина показывает силу, которая действует на пробный точечный единичный положительный заряд, помещенный в некоторую точку электрического поля.

Формула Напряженности электрического поля

Под точечным зарядом понимают упрощенную модель положительного заряда, в которой его формой и размером можно пренебречь.

Вектор напряженности по направлению совпадает с вектором силы , с которой электрическое поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в заданную точку поля (рисунок 3).

Вектор напряженности E, созданной зарядом q, в точке А

Рис. 3. Вектор напряженности E , созданной зарядом q, в точке А

Величина напряженности поля в точке А определяется согласно формуле

напряженности поля в точке А

где r – расстояние от заряда q до точки А, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Электрическое поле графически изображается линиями напряженности электрического поля, которые условно принято обозначать исходящими из положительно заряженных элементов и входящими в отрицательно заряженные заряды (рисунок 4).

изолированные заряды а) изолированные заряды Распределение линий напряженности для изолированных (а) и взаимодействующих (б) зарядовб) взаимодействующие заряды

Рис. 4. Распределение линий напряженности для изолированных (а) и взаимодействующих (б) зарядов

Потенциал, напряжение

Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии W электрического заряда в электростатическом поле к величине самого заряда q, называют потенциалом φ электрического поля

Формула потенциала электрического поля

Потенциал – это скалярная величина, которая показывает, какую работу способно затратить поле, чтобы переместить единичный пробный положительный заряд в бесконечно удалённую точку. Единицей измерения электрического потенциала является вольт, [В].

Читайте также:  С телевизора выходит ток

При этом важно отметить, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки электрического поля в другую не зависит от формы траектории перемещения, а зависит только от начального и конечного положения заряда, а также от его величины.

Если имеется некоторая система, состоящая из N точечных зарядов, то потенциал ее электрического поля φ будет равен алгебраической сумме потенциалов полей каждого входящего в него заряда, то есть

Напряжение электрического поля – это разность потенциалов между двумя точками этого поля (рисунок 5).
Напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.

U = A/q [Дж/Кл] или [В]

Графическая интерпретация напряжения электрического поля

Рис. 5. Графическая интерпретация напряжения электрического поля

Напряжение является относительной величиной, то есть всегда определяется относительно некоторого уровня. Нулевой уровень выбирается произвольно и не влияет на итоговое значение напряжения, так как соответствует разности потенциалов в двух точках (то есть изменению потенциальной энергии). Для простоты расчетов в качестве нулевого уровня в большинстве случаев принимают потенциал заземленного проводника или земли.
Как уже было отмечено ранее электрическое напряжение – это разность потенциалов двух точек, следовательно его значение определяется по формуле
Напряжение формула

В системе СИ за единицу измерения напряжения принимается вольт, [В]. Физически величина напряжения, равная 1 вольту, соответствует работе 1 джоуль при перемещении заряда в 1 кулон.

Источник



Лекция 9. Поляризация и перенапряжение

Методы измерения потенциала под током. Гальваностатический (гальванодинамический) и потенциостатический (потенциодинамический) методы получения поляризационной кривой. Стадии гетерогенной реак­ции. Понятие лимитирующей стадии. Классификация перенапряжений.

Ранее был рассмотрен медно-цинковый гальванический элемент с напряжением U ≈ 1,1 В. Как изменится измеренное значение напряжения этого элемента, если его измерить приборами с разными входными сопротивлениями? При проведении измерений прибором с высоким входным сопротивлением (например, мостом постоянного тока или ламповым вольтметром) и вольтметром с низким входным сопротивлением мы получим разные значения напряжений. Если в системе протекает ток, то потенциал будет смещаться от равновесного значения (рис. 9.1). В.Нернстом было введено понятие перенапряжения (overpotential). Перенапряжение h определяется как разность между потенциалом под током j(i) и равновесным потенциалом, который определяется по уравнению В. Нернста. Потенциал под током всегда будет отличаться от равновесного значения jр, причем чем больше будет величина проходящего тока, тем больше будет отличие (и наоборот).

Таким образом, можно записать:

Рис. 9.1. Изменение потенциала под током.

Разница между потенциалом под током и потенциалом обесточенного электрода называется поляризацией. Зависимость тока (плотности тока) от потенциала или перенапряжения называется поляризационной зависимостью. Обычно эта зависимость нелинейна (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Различные формы поляризационных кривых.

Для того чтобы измерить потенциал (перенапряжение) необходимо измерить потенциал под током или ток при определённом потенциале. Приборы, которые позволяют осуществить подобные измерения, называются потенциостатами (гальваностатами). При использовании потенциостатического метода измерений задаётся потенциал электрода относительно стандартного электрода сравнения и измеряется ток (плотность тока) рабочего (исследуемого) электрода. Такой метод называется потенциостатическим. Возможен и другой метод, при котором задается ток (плотность тока), а измеряется потенциал. Такой метод называется гальваностатическим. В том случае, когда потенциал или ток электрода изменяются с определённой скоростью, метод измерений носит название потенциодинамического (гальванодинамического) метода.

Подобные измерения важны потому, что в одних и тех же условиях гальваностатический (гальванодинамический) и потенциостатический (потенциодинамический) методы могут давать разные результаты.

Например: в случае поляризационной кривой, изображенной на рис. 9.3 одной величине тока i1 соответствуют, как минимум, три значения получаемых потенциалов.

Рис. 9.3. Возможность получения различных значений потенциалов при гальваностатическом методе измерения зависимости плотности тока от потенциала

Совершенно очевидно, что в этих условиях приемлемым методом является только потенциостатический или потенциодинамический метод. Очевидно также, что и потенциостатический и гальваностатический методы можно использовать только при применении трёхэлектродной ячейки. Один из электродов при этом является рабочим (анодом или катодом), а другой – электродом сравнения (водородный, хлорсеребряный, каломельный и др.). Третьим же электродом является вспомогательный электрод, обеспечивающий прохождение тока через ячейку. При этом разница потенциалов под током между рабочим электродом и электродом сравнения измеряется прибором с высоким входным сопротивлением (высокоомным вольтметром). Это означает, что ток в цепи рабочего электрода и электродов сравнения пренебрежимо мал по сравнению с током между рабочим электродом и вспомогательным. Меняя ток или потенциал между рабочим электродом и электродом сравнения (вспомогательным электродом) и измеряя ток (потенциал), можно получить зависимость плотности тока от перенапряжения, т.е. зависимость скорости электродной реакции и соответственно скорости, например, электрохимической обработки от потенциала.

Читайте также:  Как реостат меняет силу тока в цепи

Сам электрохимический процесс состоит из нескольких стадий, однако, как правило, только одна из стадий (самая медленная) определяет скорость реакции. Такая стадия носит название лимитирующей. Именно она определяет общую скорость электрохимического процесса.

Чтобы увеличить скорость процесса необходимо, прежде всего, воздействовать на лимитирующую стадию.

В электрохимических процессах лимитирующими могут быть следующие стадии:

1. Стадия перехода (переноса заряда).

2. Стадия химической реакции (которая предшествует или следует после стадий переноса заряда).

3. Стадия диффузии (конвективной диффузии) – подвод или отвод реагента (продуктов реакции) от (к) поверхности электрода.

4. Стадия кристаллизации (при электроосаждении или образовании кристаллических анодных пленок).

5. Стадия адсорбции.

Если какая-либо из этих стадий будет определять скорость всей (общей) реакции, то тогда перенапряжение будет определяться этой стадией. Поэтому для стадии 1 -это перенапряжение перехода (переноса заряда). Для стадии 2 -это перенапряжение реакции. Для стадии 3 -это перенапряжение диффузии. Соответственно перенапряжение кристаллизации и адсорбционное перенапряжение. Сумма перенапряжений реакции и диффузии (конвективной диффузии) носит название концентрационного перенапряжения.

Для каждого из видов перенапряжения характерны свои особенности, и их надо знать, чтобы иметь возможность воздействовать на лимитирующую стадию и тем самым управлять скоростью электрохимической реакции.

Источник

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.Эквипотенциальные поверхности

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду:

— энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.

За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.

— следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически).

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность.

В СИ потенциал измеряется в вольтах:

Разность потенциалов

Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории.

Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.

Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора

Единица разности потенциалов

Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж.

Связь между напряженностью и напряжением.

Из доказанного выше: →

напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d).

Из этого соотношения видно:

Эквипотенциальные поверхности.

ЭПП — поверхности равного потенциала.

— работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается;

— вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке.

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Между стержнем и корпусом — электрическое поле. Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов.

Потенциал поля точечного заряда

Потенциал заряженного шара

а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (. ) и равны потенциалу на поверхности шара.

б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда.

Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников.

Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными.

Источник