РОЗДІЛ 2
ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ СХЕМ ЗАМІЩЕННЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ КІЛ
З НЕЛІНІЙНИМИ ЕЛЕКТРОХІМІЧНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ
2.1. Аналіз особливостей і побудова схем заміщення кіл з нелінійними
електрохімічними елементами
Як зазначено в [85], першою проблемою, яка виникає при аналізі нелінійних
електричних кіл є адекватний опис системи, що досліджується. Тобто, необхідно
побудувати адекватну схему заміщення, визначити її параметри, обрати
характеристики нелінійних елементів. Це стосується в повній мірі і
електрохімічних кіл. Тому доцільно спочатку зупинитись на особливостях, котрі
притаманні цим колам, зазначити, які явища і за яких умов враховують, а також
яким чином це обумовлює схему заміщення.
В електротехніці переважно розглядають електричні кола, що містять тільки
електронні провідники, тобто провідники першого роду, котрі є металами або
напівпровідниками. Перші, як відомо, мають питому електричну провідність більш,
ніж 107 См/м, а другі – від 10-8 до 106 См/м. На відміну від цього під
електрохімічним колом розуміють коло, котре містить хоча б один іонний
провідник (провідник другого роду). Іонним провідником є водний розчин одного
або декількох електролітів, у ролі яких можуть виступати солі, кислоти та луги.
Цей провідник містить додатньо МZ+ та від’ємно МZ- заряджені іони металу.
Характерною особливістю іонних провідників є можливість в широких межах
змінювати свою питому електропровідність від 5·10-6 См/м (чиста вода) до 80
См/м (концентрований розчин сильної кислоти) за рахунок зміни концентрації
електроліту [86].
Метал, занурений (введений) в електроліт, називають електродом. Електрод, з
якого струм умовно входить в електроліт має назву аноду, а в котрий входить з
електроліту, є катодом (рис. 2.1). Анод може бути як розчинним, так і
нерозчинним. Отже, струм проходить по шляху: зовнішнє коло – анод – електроліт
– катод і знов повертається у зовнішнє коло. Конструктивно оформлене
електрохімічне коло має назву електрохімічної (гальванічної) комірки. У тому
випадку, коли процеси у цій комірці протікають з виділенням електроенергії у
зовнішнє коло, комірку називають хімічним джерелом струму або гальванічним
елементом. Якщо процеси в комірці супроводжуються поглинанням енергії від
зовнішнього джерела, комірку називають електролітичною ванною або
електролізером. На практиці електролізери широко застосовують для
електролітичного осадження металів і сплавів, рафінування металів, а також у
хімотроніці. В подальшому, в цій роботі досліджено електромагнітні процеси у
колах з електролізерами електроосадження металів у режимах стаціонарного та
імпульсного електролізу. В стаціонарному режимі прикладена вхідна напруга або
струм – постійні, при нестаціонарному – несинусоїдні.
Рис. 2.1. Схема електрохімічної комірки.
При вмиканні напруги u(t) до електролізера (рис. 2.1) на катоді відбувається
розряд катіонів МZ+ до металу покриття М за реакцією
, (2.1)
де з – заряд електрона;
z – валентність металу.
Одночасно анод розчиняється (якщо він є розчинним) за реакцією
, (2.2)
в результаті чого розчин електроліту поповнюється катіонами МZ+, що діфундують
до катоду і розряджаються на його поверхні за реакцією (2.1).
Під час протікання струму по колу (рис. 2.1) і на міжфазних границях анод –
електроліт і електроліт – катод виникають приелектродні спади напруги uк та uа,
котрі в електрохімії називають відповдно анодною і катодною поляризаціями. Якщо
анод є нерозчинним, то uа=0.
Крім основних ,,робочих” реакцій (2.1) та (2.2), на котрі витрачаються частини
струму і(t), що позначають відповідно іа та ік , на міжфазних електродних
границях відбувається накопичення і утримання електричних зарядів, які
утворюють їх подвійний шар. Тобто міжфазну границю електрод – електроліт можна
представити (замістити) нелінійним резистивним елементом НР, котрий є
еквівалентним одній з реакцій (2.1) або (2.2) зі струмами іа чи ік і паралельно
ввімкненим до нього ємнісним елементом С зі струмом іс (рис. 2.2). До того ж,
як показує практика електрохімічних досліджень, залежності uа(іа), uк(ік),
тобто вольт-амперні характеристики (ВАХ) вказаних резисторів є нелінійними,
класичні аналітичні вирази для них наведено в [86 – 88]. Ці вирази визначаються
особливостями процесів, що протікають в електролізері (процесів електролізу), а
саме основною стадією процесу. Наприклад, якщо основною (уповільненою) стадією
процесу на катоді є реакція (2.1), тобто має місце так звана активаційна
поляризація катоду [86 – 88], то ВАХ нелінійного резистора описують виразом
, (2.3)
де j0 – так звана парціальна густина струму розряду іонів металу;
Sк – площа катоду;
б – так званий коефіцієнт переносу катодної реакції;
z– валентність металу;
F – число Фарадея;
R – універсальна газова постійна;
Т – температура катоду.
Рис. 2.2. Електрична схема заміщення електроду.
Якщо уповільненою стадією катодного процесу є дифузія катіонів до катоду (рис.
2.1), тобто має місце так звана концентраційна поляризація, то ВАХ має
аналітичний вигляд
, (2.4)
де ігр – так званий граничний дифузійний струм катоду.
Якщо на уповільнену стадію (2.1) накладається уповільненість дифузії катіонів
до катоду, то аналітичний вираз ВАХ описують, як
. (2.5)
В ряді процесів електролізу визначальною є адсорбція на поверхні катоду різних
речовин, що присутні в електроліті. Тоді ВАХ нелінійного резистивного елемента
рис. 2.2 має N –образний вигляд (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Якісний вигляд ВАХ міжфазної межі катод – електроліт при наявності
поверхнево-активних речовин в електроліті (1) та при їх відсутності (2).
В практичних задачах аналізу нелінійних електрохімічних к
- Київ+380960830922