Удельная электрическая проводимость воды единицы измерения. Электропроводность воды, или что такое кондуктометрия

Способность электролитов при подаче на них электрического тока становиться проводниками называется электролитической электропроводимостью. Рассмотрим солевые и кислотные электролиты, а также электролиты-основания, относящиеся к водным растворам. Данные вещества отличаются тем, что концентрация образующихся в них анионов (ионов заряженных отрицательно) и катионов (ионов заряженных положительно) вследствие электролитической диссоциации 2 достаточно высока. Растворы-электролиты относятся ко второму роду проводников. Их проводимость в электрическом поле, в отличие от первой группы проводников, обусловлена ионной активностью.

Проводники обладают способностью к сопротивлению (R). По закону Ома эта величина находится в прямой пропорции по отношению к длине проводника (l ), а к площади (S) его сечения она обратно пропорциональна. Коэффициент пропорциональности - показатель удельного сопротивления (ρ) проводника сантиметровой длины с сечением 1 см 2:

Электропроводность обозначается См (S) и измеряется в единицах системы СИ - в сименсах (siemens). Получаем следующее выражение: Ом −1 = кг −1 .м −2 .с 3 А 2 .

Различают электропроводность удельную ( K - каппа) и молярную илииначе эквивалентную ( Λ - лямбда) 3 .

Примечание 1: Концентрации приведены в граммах на килограмм раствора.

Примечание 2: Термин «электролитическая диссоциация» обозначает частичный либо полный молекулярный распад на катионы и анионы растворяемого вещества.

Примечание 3: Употребление термина «эквивалентная электропроводность» не рекомендовано. Основание - инструкция, составленная Комиссией союза чистой и прикладной химии. В международной электрохимической номенклатуре IUPAC принят термин «молярная электропроводность».

1. Удельная электропроводность

Ее используют для количественного определения способности электролитных растворов проводить ток. Она обратная удельному сопротивлению - показателю раствора, заполняющего пространство между электродами с площадью в 1 см 2 , помещенными друг от друга на сантиметровом расстоянии:

Эта величина определяется природой электролитного раствора, его температурой и насыщенностью. Удельная электропроводность возрастает с повышением температуры, что является отличительной особенностью таких электролитов в сравнении с проводниками первого рода. Скорость движения ионов возрастает в силу снижения сольватированности ионов и уменьшения вязкости раствора.

Рис.1 наглядно демонстрирует, как изменяется удельная электропроводность в зависимости от концентрированности растворов. За единицу измерения этой величины принят См/м - сименс на метр (1 См/м = 1 Ом-1м-1). Чаще применяется производная величина - мкСм/см.

Удельная электропроводность с подъемом насыщенности сначала возрастает, а достигнув определенного максимума, уменьшается. Нужно отметить, что в отношении сильных электролитов зависимость выражена четко, в отношении же слабых растворов она гораздо слабее. Присутствие на кривых сильных растворов показателей с предельными значениями говорит о том, что скорость ионного движения в разбавленных электролитах от их насыщенности зависит незначительно и вначале возрастает в прямойпропорциональности к количеству ионов. С наращиванием концентрации взаимодействие ионов усиливается, что приводит к уменьшению скорости движения. Участок максимума на кривой слабого электролита обусловлен снижением степени диссоциации, вызванным ростом концентрации. Достигнув определенной насыщенности, концентрация поднимается быстрее, нежели численное содержание ионов в растворе. Чтобы описать влияние ионного взаимодействия и насыщенности электролитов на их электрическую проводимость, пользуются понятием « молярная электропроводность ».

2. Молярная электропроводность

Λ (электропроводность молярная - см. прим. 4) - величина, обратная электролитному сопротивлению для проводника с содержанием вещества 1 моль, который разместили между электродами, установленными друг от друга на сантиметровом расстоянии. Для определения связи молярной электропроводности с молярной концентрированностью раствора (М) и удельной электропроводностью (К) выведено следующее соотношение:

Примечание 4: Удельная электропроводность 1N раствора электролита называется эквивалентной (Λ = 1000 К / N). Концентрация (N) выражается в г-экв/л. Однако инструкция от ИЮПАК термин «эквивалентная электропроводность» употреблять не рекомендует.

Молярная электропроводность в отношении и сильных и слабых электролитов прогрессирует с понижением концентрации (то есть, с падением насыщенности раствора (V = 1/М) его электропроводность повышается). Она достигает предельного показателя Λ 0. Этот максимум носит название молярной электропроводности при бесконечном разведении.

Для электролитов слабых (рис.2) зависимость этой величины от концентрации обуславливается в основном подъемом степени диссоциации, вызванным разбавлением электролитного раствора. В сильных же электролитах со снижением насыщенности ослабляется взаимодействие ионов. Интенсивность их перемещений растет, что и влечет за собой овышение молярной электропроводности раствора.

Исследования Ф. Кольрауша показывают, каким образом каждый из ионов вносит лепту в молярную электропроводность электролитов бесконечно разведенных растворов (предельное разбавление). Он определил, что λ0 (предельная ионная электропроводность) - это сумма молярных электропроводностей, демонстрируемых катионом и анионом, а также вывел формулировку закона независимости ионного движения:

При бесконечном электролитном разбавлении молярная электропроводность равняется сумме катионных и анионных подвижностей в электролитическом растворе:

Λ 0 = К 0 + + К 0 - (4)

3. Факторы, определяющие электропроводность раствора

Концентрация солей и температура - основные факторы, определяющие водную электропроводность. Основная минеральная составляющая воды в природе:

Катионы K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ;

Анионы HCO 3 - , Cl - , SO 4 2- .

Присутствуют и другие ионы (Al 3+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Fe 2+ , H 2 PO 4 - , NO 3 - , HPO 4 2-), но их влияние на электропроводность несущественна, ведь обычно их содержание в воде мало. Значения электропроводности позволяют судить об уровне ее минерализации. В природе удельная электропроводность воды составляет 100-2000 мкСм/см при минерализации от 50 до 1000 мг/л (в атмосферных осадках -10-120 мкСм/см при минерализации 3-60 мг/л).

4. Электропроводность. Проведение расчетов

Применив формулы 3 и 4, и имея под рукой показатели ионных электропроводностей ( К), можно произвести расчеты электропроводности ( К и Λ ) в отношении любого раствора:

К = (К + + К - ) М /1000 (5)

В приведенной здесь таблице 1 можно найти ионные и предельные ионные электропроводности, характерные для часто встречающихся ионов в разбавленных растворах (температура +18°С).

Таблица 1

Пример 1: Необходимо произвести вычисления по удельной электропроводности (К). Раствор KCl (хлористый калий) 0,0005 М.

Решение: Диссоциация KCl в водных растворах происходит на ионы К + и Cl - . Воспользовавшись справочником, либо данными, приведенными таблице 6, находим показатели ионных электропроводностей при 18°С в разведенных растворах:

К + - концентрация ионов 0,0005 М (λ = 63.7 Ом -1 . см 2 . моль -1);

Cl - - концентрация ионов 0,0005 М (λ = 64.4 Ом -1 . см 2 . моль -1).

Если требуется сделать расчет удельной электропроводности электролитного раствора, в составе которого имеется смесь различных ионов, формула приобретает следующий вид:

k = Σ λ i Мi /1000 (6)

Исчисления, приведенные выше, верны касательно сильных электролитов. В отношении же слабых растворов придется воспользоваться дополнительными расчетами, связанными с использованием констант диссоциаций и определением насыщенности свободными ионами. Молярная электропроводность, например, раствора 0,001 М уксусной кислоты - Λ= 41 Ом-1.см2.моль-1 (18 °С) , однако применив формулу (6) будет выведена величина примерно равная 351.9 Ом -1 .см 2 .моль -1 .

Пример 2: Требуется узнать удельную электропроводность (k) для раствора 0,001 М уксусной кислоты (СН3СООН).

Решение: Диссоциация слабых водных растворов уксусной кислоты происходит на ионы CН 3 СОО - и Н + (СН 3 СООН ↔ Н + + CН 3 СОО -).

Константа - КСН 3 СООН = [Н+] . / [СН 3 СООН].

Для кислоты одноосновной - [Н+] = = х.

Насыщенность диссоциированными молекулами слабой кислоты в сравнении с общей концентрацией слишком низка, и значит, ее можно принять за равную М (М = 0.001моль/л).

КСН 3 СООН = х 2 /М, К СН3СООН = 1.8 . 10 -5 .

По условию: насыщенность кислоты 0.001 М (0.001 г-экв/л).

Располагая данными по насыщенности ионами Н + и CН 3 СОО - , а также по их электропроводности (λ н+ 0.001 = 311 Ом -1 . см 2 . моль -1 , λ снзсоо- 0.001 ≈ 40.9 Ом -1 . см 2 . моль -1), вычисляется удельная электропроводность «k».

k = (311 + 40.9) . 0.001/1000 = 3,52 .10 -4 Ом -1 см -1 (См/см) или 352 мкСм/см.

Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность коррекции показателя «Электропроводность» для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы предложим Вам оптимальную технологическую схему очистки воды.

Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение , модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

сименс на метр пикосименс на метр мо на метр мо на сантиметр абмо на метр абмо на сантиметр статмо на метр статмо на сантиметр сименс на сантиметр миллисименс на метр миллисименс на сантиметр микросименс на метр микросименс на сантиметр условная единица электропроводности условный коэффициент электропроводности миллионных долей, коэф. пересчета 700 миллионных долей, коэф. пересчета 500 миллионных долей, коэф. пересчета 640 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 640 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 550 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 500 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 700

Подробнее об удельной электрической проводимости

Введение и определения

Удельная электрическая проводимость (или удельная электропроводность) является мерой способности вещества проводить электрический ток или перемещать электрические заряды в нем. Это отношение плотности тока к напряженности электрического поля. Если рассмотреть куб из проводящего материала со стороной 1 метр, то удельная проводимость будет равна электрической проводимости, измеренной между двумя противоположными сторонами этого куба.

Удельная проводимость связана с проводимостью следующей формулой:

G = σ(A/l)

где G - электрическая проводимость, σ - удельная электрическая проводимость, А - поперечное сечение проводника, перпендикулярное направлению электрического тока и l - длина проводника. Эту формулу можно использовать с любым проводником в форме цилиндра или призмы. Отметим, что эту формулу можно использовать и для прямоугольного параллелепипеда, потому что он является частным случаем призмы, основанием которой является прямоугольник. Напомним, что удельная электрическая проводимость - величина, обратная удельному электрическому сопротивлению.

Людям, далеким от физики и техники, бывает сложно понять разницу между проводимостью проводника и удельной проводимостью вещества. Между тем, конечно, это разные физические величины. Проводимость - это свойство данного проводника или устройства (например, резистора или гальванической ванны), в то время как удельная проводимость - это неотъемлемое свойство материала, из которого изготовлены этот проводник или устройство. Например, удельная проводимость меди всегда одинаковая, независимо от того как изменяется форма и размеры предмета из меди. В то же время, проводимость медного провода зависит от его длины, диаметра, массы, формы и некоторых других факторов. Конечно, похожие объекты из материалов с более высокой удельной проводимостью имеют более высокую проводимость (хотя и не всегда).

В Международной системе единиц (СИ) единицей удельной электрической проводимости является сименс на метр (См/м) . Входящая в нее единица проводимости названа в честь немецкого ученого, изобретателя, предпринимателя Вернера фон Сименса (1816–1892 гг.). Основанная им в 1847 г. компания Siemens AG (Сименс) является одной из самых больших компаний, выпускающих электротехническое, электронное, энергетическое, транспортное и медицинское оборудование.

Диапазон удельных электрических проводимостей очень широк: от материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением, таких как стекло (которое, между прочим, хорошо проводит электрический ток, если его нагреть докрасна) или полиметилметакрилат (органическое стекло) до очень хороших проводников, таких как серебро, медь или золото. Удельная электрическая проводимость определяется количеством зарядов (электронов и ионов), скоростью их движения и количеством энергии, которое они могут переносить. Средними значениями удельной проводимости обладают водные растворы различных веществ, которые используются, например, в гальванических ваннах. Другим примером электролитов со средними значениями удельной проводимости является внутренняя среда организма (кровь, плазма, лимфа и другие жидкости).

Проводимость металлов, полупроводников и диэлектриков подробно обсуждается в следующих статьях Конвертера физических величин сайт: , и Электрическая проводимость. В этой статье мы обсудим подробнее удельную проводимость электролитов, а также методы и простое оборудование для ее измерения.

Удельная электрическая проводимость электролитов и ее измерение

Удельная проводимость водных растворов, в которых электрический ток возникает в результате движения заряженных ионов, определяется количеством носителей заряда (концентрацией вещества в растворе), скоростью их движения (подвижность ионов зависит от температуры) и зарядом, которые они несут (определяемой валентностью ионов). Поэтому в большинстве водных растворов повышение концентрации приводит к увеличению числа ионов и, следовательно, к увеличению удельной проводимости. Однако после достижения определенного максимума удельная проводимость раствора может начать уменьшаться при дальнейшем увеличении концентрации раствора. Поэтому растворы с двумя различными концентрациями одной и той же соли могут иметь одинаковую удельную проводимость.

Температура также влияет на проводимость, так как при повышении температуры ионы движутся быстрее, что приводит к увеличению удельной проводимости. Чистая вода - плохой проводник электричества. Обычная дистиллированная вода, в которой содержится в равновесном состоянии углекислый газ из воздуха и общая минерализация менее 10 мг/л, имеет удельную электрическую проводимость около 20 мСм/см. Удельная проводимость различных растворов приведена ниже в таблице.

Для определения удельной проводимости раствора используется измеритель сопротивления (омметр) или проводимости. Это практически одинаковые устройства, отличающиеся только шкалой. Оба измеряют падение напряжения на участке цепи, по которому протекает электрический ток от батареи прибора. Измеренное значение проводимости вручную или автоматически пересчитывается в удельную проводимость. Это осуществляется с учетом физических характеристик измерительного устройства или датчика. Датчики удельной проводимости устроены просто: это пара (или две пары) электродов, погруженных в электролит. Датчики для измерения удельной проводимости характеризуются постоянной датчика удельной проводимости , которая в простейшем случае определяется как отношение расстояния между электродами D к площади (электрода), перпендикулярной течению тока А

Эта формула хорошо работает, если площадь электродов значительно больше расстояния между ними, так как в этом случае большая часть электрического тока протекает между электродами. Пример: для 1 кубического сантиметра жидкости K = D/A = 1 см/1 см² = 1 см⁻¹. Отметим, что датчики удельной проводимости с маленькими электродами, раздвинутыми на относительно большое расстояние, характеризуются значениями постоянной датчика 1.0 cm⁻¹ и выше. В то же время, датчики с относительно большими электродами, расположенными близко друг к другу, имеют постоянную 0,1 cm⁻¹ или менее. Постоянная датчика для измерения удельной электрической проводимости различных устройств находится в пределах от 0,01 до 100 cm⁻¹.

Теоретическая постоянная датчика: слева - K = 0,01 см⁻¹ , справа - K = 1 см⁻¹

Для получения удельной проводимости из измеренной проводимости используется следующая формула:

σ = K ∙ G

σ - удельная проводимость раствора в См/см;

K - постоянная датчика в см⁻¹;

G - проводимость датчика в сименсах.

Постоянную датчика обычно не рассчитывают по его геометрическим размерам, а измеряют в конкретном измерительном устройстве или в конкретной измерительной установке с использованием раствора с известной проводимостью. Эта измеренная величина и вводится в прибор для измерения удельной проводимости, который автоматически рассчитывает удельную проводимость по измеренным значениям проводимости или сопротивления раствора. В связи с тем, что удельная проводимость зависит от температуры раствора, устройства для ее измерения часто содержат датчик температуры, который измеряет температуру и обеспечивает автоматическую температурную компенсацию измерений, то есть, приведение результатов к стандартной температуре 25°C.

Самый простой способ измерения проводимости - приложить напряжение к двум плоским электродам, погруженным в раствор, и измерить протекающий ток. Этот метод называется потенциометрическим. По закону Ома, проводимость G является отношением тока I к напряжению U :

Однако не все так просто, как описано выше - при измерении проводимости имеется много проблем. Если используется постоянный ток , ионы собираются у поверхностей электродов. Также у поверхностей электродов может возникнуть химическая реакция . Это приводит к увеличению поляризационного сопротивления на поверхностях электродов, что, в свою очередь, приводит к получению ошибочных результатов. Если попробовать измерить обычным тестером сопротивление, например, раствора хлористого натрия, будет хорошо видно, как показания на дисплее цифрового прибора довольно быстро изменяются в сторону увеличения сопротивления. Чтобы исключить влияние поляризации, часто используют конструкцию датчика из четырех электродов.

Поляризацию также можно предотвратить или, во всяком случае, уменьшить, если использовать при измерении вместо постоянного, да еще и подстраивать частоту в зависимости от проводимости. Низкие частоты используются для измерения низкой удельной проводимости, при которой влияние поляризации невелико. Более высокие частоты используются для измерения высоких проводимостей. Обычно частота подстраивается в процессе измерения автоматически, с учетом полученных значений проводимости раствора. Современные цифровые двухэлектродные измерители проводимости обычно используют переменный ток сложной формы и температурную компенсацию. Они откалиброваны на заводе-изготовителе, однако в процессе эксплуатации часто требуется повторная калибровка, так как постоянная измерительной ячейки (датчика) изменяется со временем. Например, она может измениться при загрязнении датчики или при физико-химических изменениях электродов.

В традиционном двухэлектродном измерителе удельной проводимости (именно такой мы будем использовать в нашем эксперименте) между двумя электродами приложено переменное напряжение и измеряется протекающий между электродами ток. Этот простой метод имеет один недостаток - измеряется не только сопротивление раствора, но и сопротивление, вызванное поляризацией электродов. Для сведения влияния поляризации к минимуму используют четырехэлектродную конструкцию датчика, а также покрытие электродов платиновой чернью.

Общая минерализация

Устройства для измерения удельной электрической проводимости часто используют для определения общей минерализации или содержания твёрдых веществ (англ. total dissolved solids, TDS). Это мера общего количества органических и неорганических веществ , содержащихся в жидкости в различных формах: ионизированной, молекулярной (растворенной), коллоидной и в виде суспензии (нерастворенной). К растворенным веществам относятся любые неорганические соли. Главным образом, это хлориды, бикарбонаты и сульфаты кальция, калия, магния, натрия, а также некоторые органические вещества, растворенные в воде. Чтобы относиться к общей минерализации, вещества должны быть или растворенными, или в форме очень мелких частиц, которые проходят сквозь фильтры с диаметром пор менее 2 микрометров. Вещества, которые постоянно находятся в растворе во взвешенном состоянии, но не могут пройти сквозь такой фильтр, называется взвешенными твердыми веществами (англ. total suspended solids, TSS). Общее количество взвешенных веществ обычно измеряется для определения качества воды.

Существует два метода измерения содержания твердых веществ: гравиметрический анализ , являющийся наиболее точным методом, и измерение удельной проводимости . Первый метод - самый точный, но требует больших затрат времени и наличия лабораторного оборудования, так как воду нужно выпарить до получения сухого остатка. Обычно это производится при температуре 180°C в лабораторных условиях. После полного испарения остаток взвешивается на точных весах.

Второй метод не такой точный, как гравиметрический анализ. Однако он очень удобен, широко распространен и является наиболее быстрым методом , так как представляет собой простое измерение проводимости и температуры, выполняемое за несколько секунд недорогим измерительным прибором. Метод измерения удельной электропроводности можно использовать в связи с тем, что удельная проводимость воды прямо зависит от количества растворенных в ней ионизированных веществ. Данный метод особенно удобен для контроля качества питьевой воды или оценки общего количества ионов в растворе.

Измеренная проводимость зависит от температуры раствора. То есть, чем выше температура, тем выше проводимость, так как ионы в растворе при повышении температуры движутся быстрее. Для получения измерений, независимых от температуры, используется концепция стандартной (опорной) температуры, к которой приводятся результаты измерения. Опорная температура позволяет сравнить результаты, полученные при разных температурах . Таким образом, измеритель удельной проводимости может измерять реальную проводимость, а затем использовать корректирующую функцию, которая автоматически приведет результат к опорной температуре 20 или 25°C. Если необходима очень высокая точность, образец можно поместить в термостат, затем откалибровать измерительный прибор при той же температуре, которая будет использоваться при измерениях.

Большинство современных измерителей удельной проводимости снабжены встроенным датчиком температуры, который используется как для температурной коррекции, так и для измерения температуры. Самые совершенные приборы способны измерять и отображать измеренные значения в единицах удельной проводимости, удельного сопротивления, солености, общей минерализации и концентрации. Однако еще раз отметим, что все эти приборы измеряют только проводимость (сопротивление) и температуру. Все физические величины, которые показывает дисплей, рассчитываются прибором с учетом измеренной температуры, которая используется для автоматической температурной компенсации и приведения измеренных значений к стандартной температуре.

Эксперимент: измерение общей минерализации и проводимости

В заключение мы выполним несколько экспериментов по измерению удельной проводимости с помощью недорогого измерителя общей минерализации (называемого также солемером, салинометром или кондуктомером) TDS-3. Цена «безымянного» прибора TDS-3 на eBay с учетом доставки на момент написания статьи менее US$3.00. Точно такой же прибор, но с названием изготовителя стоит уже в 10 раз дороже. Но это для любителей платить за брэнд, хотя очень высока вероятность того, что оба прибора будут выпущены на одном и том же заводе. TDS-3 осуществляет температурную компенсацию и для этого снабжен датчиком температуры, расположенным рядом с электродами. Поэтому его можно использовать и в качестве термометра. Следует еще раз отметить, что прибор реально измеряет не саму минерализацию, а сопротивление между двумя проволочными электродами и температуру раствора. Все остальное он автоматически рассчитывает с использованием калибровочных коэффициентов.

Измеритель общей минерализации поможет определить содержание твердых веществ, например, при контроле качества питьевой воды или определения солености воды в аквариуме или в пресноводном пруде. Его можно также использовать для контроля качества воды в системах фильтрации и очистки воды, чтобы узнать когда пришло время заменить фильтр или мембрану. Прибор откалиброван на заводе-изготовителе с помощью раствора хлорида натрия NaCl с концентрацией 342 ppm (частей на миллион или мг/л). Диапазон измерения прибора - 0–9990 ppm или мг/л. PPM - миллионная доля, безразмерная единица измерения относительных величин, равная 1 10⁻⁶ от базового показателя. Например, массовая концентрация 5 мг/кг = 5 мг в 1 000 000 мг = 5 частей на миллион или миллионных долей. Точно так же, как процент является одной сотой долей, миллионная доля является одной миллионной долей. Проценты и миллионные доли по смыслу очень похожи. Миллионные доли, в отличие от процентов, удобны для указания концентрации очень слабых растворов.

Прибор измеряет электрическую проводимость между двумя электродами (то есть величину, обратную сопротивлению), затем пересчитывает результат в удельную электрическую проводимость (в англоязычной литературе часто используют сокращение EC) по приведенной выше формуле проводимости с учетом постоянной датчика K, затем выполняет еще один пересчет, умножая полученную удельную проводимость на коэффициент пересчета 500. В результате получается значение общей минерализации в миллионных долях (ppm). Подробнее об этом - ниже.

Данный прибор для измерения общей минерализации нельзя использовать для проверки качества воды с высоким содержанием солей. Примерами веществ с высоким содержанием солей являются некоторые пищевые продукты (обычный суп с нормальным содержанием соли 10 г/л) и морская вода. Максимальная концентрация хлорида натрия, которую может измерить этот прибор - 9990 ppm или около 10 г/л. Это обычная концентрация соли в пищевых продуктах. Данным прибором также нельзя измерить соленость морской воды, так как она обычно равна 35 г/л или 35000 ppm, что намного выше, чем прибор способен измерить. При попытке измерить такую высокую концентрацию прибор выведет сообщение об ошибке Err.

Солемер TDS-3 измеряет удельную проводимость и для калибровки и пересчета в концентрацию использует так называемую «шкалу 500» (или «шкалу NaCl»). Это означает, что для получения концентрации в миллионных долях значение удельной проводимости в мСм/см умножается на 500. То есть, например, 1,0 мСм/см умножается на 500 и получается 500 ppm. В разных отраслях промышленности используют разные шкалы. Например, в гидропонике используют три шкалы: 500, 640 и 700. Разница между ними только в использовании. Шкала 700 основана на измерении концентрации хлорида калия в растворе и пересчет удельной проводимости в концентрацию выполняется так:

1,0 мСм/см x 700 дает 700 ppm

Шкала 640 использует коэффициент преобразования 640 для преобразования мСм в ppm:

1,0 мСм/см x 640 дает 640 ppm

В нашем эксперименте мы вначале измерим общую минерализацию дистиллированной воды. Солемер показывает 0 ppm. Мультиметр показывает сопротивление 1,21 МОм.

Для эксперимента приготовим раствор хлорида натрия NaCl с концентрацией 1000 ppm и измерим концентрацию с помощью TDS-3. Для приготовления 100 мл раствора нам нужно растворить 100 мг хлорида натрия и долить дистиллированной воды до 100 мл. Взвесим 100 мг хлорида натрия и поместим его в мерный цилиндр, добавим немного дистиллированной воды и размешаем до полного растворения соли. Затем дольем воду до метки 100 мл и еще раз как следует размешаем.

Для экспериментального определения проводимости мы использовали два электрода, изготовленные из того же материала и с теми же размерами, что и электроды TDS-3. Измеренное сопротивление составило 2,5 КОм.

Теперь, когда нам известно сопротивление и концентрация хлорида натрия в миллионных долях, мы можем приблизительно рассчитать постоянную измерительной ячейки солемера TDS-3 по приведенной выше формуле:

K = σ/G = 2 мСм/см x 2,5 кОм = 5 см⁻¹

Это значение 5 см⁻¹ близко к расчетной величине постоянной измерительной ячейки TDS-3 с указанными ниже размерами электродов (см. рисунок).

• D = 0,5 см - расстояние между электродами;
• W = 0,14 см - ширина электродов
• L = 1,1 см - длина электродов

Постоянная датчика TDS-3 равна K = D/A = 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Это не сильно отличается от полученного выше значения. Напомним, что приведенная выше формула позволяет лишь приблизительно оценить постоянную датчика.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Из курса физики Вы помните, что электрическое сопротивление любого проводника может быть рассчитано по формуле:

где R - сопротивление в Ом;

l - длина проводника, см;

S - площадь поперечного сечения, см 2 ;

r - удельное сопротивление , т.е. сопротивление проводника длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1 см 2 .

В электрохимии принято пользоваться величинами, обратными указанным:

Величина L называется электрической проводимостью и измеряется в Сименсах (См) См = Ом -1 .

Величина À называется удельной электрической проводимостью. Нетрудно вывести, что величина À измеряется в См×см -1 . На рис.3.1. представлена кондуктометрическая ячейка, применяемая для измерения электрической проводимости. Она представляет собой сосуд 1, без дна, в который вставлены два платиновых электрода 2, помещаемые в исследуемый раствор 3.

Величину К определяют экспериментально. Для этого необходимо измерить электрическую проводимость L раствора, для которого À известна. Обычно для этого используют растворы хлорида калия известной концентрации (0,1; 0,05; 0,01 моль/дм 3), величины À которых имеются в таблицах.

Из уравнения (3.5.) следует, что

удельная проводимость - это электрическая проводимость раствора, помещенного между двумя электродами площадью 1 см 2 , находящимися на расстоянии 1 см.

больше ионов-носителей электричества. В разбавленных растворах как сильных так и слабых электролитов увеличение концентрации приводит к повышению проводимости, что связано с увеличением количества ионов. В области высоких концентраций наблюдается уменьшение À. Для сильных электролитов это связано с увеличением вязкости растворов и усилением электростатического взаимодействия между ионами. Для слабых электролитов указанный эффект связан с уменьшением степени диссоциации и, следовательно, уменьшением количества ионов.

При повышении температуры удельная проводимость электролитов увеличивается:

À 2 = À 1 [ 1 + a(T 2 - T 1)] (3.7.)

В этом уравнении À 1 и À 2 – удельная проводимость при температурах Т 1 и Т 2 , а a – температурный коэффициент проводимости. Например, для солей a » 0,02. Это означает, что повышение температуры на один градус приводит к увеличению проводимости приблизительно на 2%. Связано это с тем, что при повышении температуры уменьшается степень гидратации и вязкость растворов.

Следует отметить, что в отличие от электролитов, электричес-кая проводимость металлов при повышении температуры уменьшается.

Молярная электрическая проводимость

Молярная проводимость l связана с удельной проводимостью формулой:

l = À×1000/с (3.8.)

В этом выражении с - молярная концентрация раствора, моль×дм -3 . Молярная проводимость выражена в См×см 2 ×моль -1 . Итак,

молярная проводимость - это проводимость раствора, содержащего 1 моль вещества при расстоянии между электродами, равном 1 см.

Молярная электрическая проводимость как сильных так и слабых электролитов с увеличением концентрации понижается. Характер зависимости l от с для сильных и слабых электролитов различен, т.к. влияние концентрации обусловлено различными причинами.

Сильные электролиты . При небольших концентрациях зависимость молярной проводимости от концентрации выражается эмпирическим уравнением Кольрауша:

l = l 0 –bÖс (3.9.)

где b – определяемая опытным путем постоянная,

а l 0 – молярная электрическая проводимость при бесконечном разбавлении или предельная молярная проводимость .

Таким образом,

liml C ® 0 = l 0 (3.10.)

Приготовить раствор, концентрация которого равна нулю, невозможно. Величину l 0 для сильных электролитов можно определить графически. Из уравнения (3.9.) следует, что график зависимости l = f(Öc) для сильных электролитов представляет собой прямую линию (рис.3.3.,линия 1).

Если приготовить ряд растворов различной концентрации, измерить их проводимость L,рассчитать и построить график l = f(Öс), то экстраполируя полученную прямую на ось ординат (с = 0), можно определить l 0 . Если учесть, что сильные электролиты, независимо от концентрации раствора полностью диссоциированы, то приходим к выводу, что количество ионов, образуемых из 1 моль вещества, всегда одно и то же. Значит, от концентрации раствора зависит скорость движения ионов, с увеличением концентрации усиливается торможение ионов . Это явление, связано с образованием вокруг каждого иона в растворе ионной атмосферы , состоящей преимущественно из ионов противоположного знака. С увеличением концентрации также увеличивается вязкость раствора. Существуют и другие причины замедления движения ионов в электрическом поле, на которых мы останавливаться не будем.

Если экспериментально определить величину l для раствора данной концентрации и графически найти l 0 можно рассчитать величину коэффициента электропроводности f :

f = l / l 0 (3.11.)

Коэффициент f характеризует степень торможения ионов и при разбавлении раствора стремится к единице.

Слабые электролиты . Молярная проводимость слабых электролитов значительно меньше, чем для растворов сильных электролитов (рис.3.3, линия 2). Это связано с тем, что даже при низких концентрациях степень диссоциации слабых электролитов мала. Повышение молярной проводимости слабых электролитов при разбавлении растворов связано с увеличением степени диссоциации в соответствии с законом разбавления Оствальда. С.Аррениус высказал предположение, что молярная проводимость слабого электролита связана с его степенью диссоциации выражением:

a = l / l 0 (3.12.)

Таким образом, степень диссоциации слабого электролита можно рассчитать, если известна его предельная молярная проводимость l 0 . Однако определить l 0 графически путем экстраполяции графика l= f(Öс) нельзя, т.к. кривая (рис.3.3., линия 2) при уменьшении концентрации асимптотически приближается к оси ординат.

Величину l 0 можно определить с помощью закона независимости движения ионов Кольрауша :

Молярная электрическая проводимость электролита при бесконечном разбавлении раствора равна сумме предельных подвижностей катионов и анионов.

l 0 =l 0,+ + l 0,– (3.13.)

Подвижности катиона и аниона пропорциональны абсолютным скоростям движения ионов (см.табл. 3.1.).

l 0,+ = F×U + ; l 0,– = F×U – (3.14.)

В этих формулах F - единица количества электричества, называемая Фарадеем, равная 96494 Кулонов (Кл). В табл.3.2. приведены предельные подвижности некоторых ионов.

Следует отметить, что закон независимости движения ионов справедлив как для слабых, так и для сильных электролитов.

Таблица 3.2.

Предельные подвижности ионов (см 2 ×См×моль -1) при 25 0 С

Применение измерений проводимости

Метод исследования основанный на измерении электрической проводимости, называется кондуктометрией . Этот метод широко используется в лабораторной практике. Прибор для измерения электрической проводимости называется кондуктометром . В частности, кондуктометрический метод позволяет определять константы диссоциации слабых электролитов.

Пример. Определение константы диссоциации уксусной кислоты.

а)Для нахождения постоянной кондуктометрической ячейки приготовили растворы хлорида калия с молярными концентрациями 0,1 и 0,02 моль×дм -3 и измерили их проводимость.Она оказалась равной соответственно L 1 = 0,307 См и L 2 = 0,0645 См. По таблице находим значения удельной проводимости растворов хлорида калия указанных концентраций:

À 1 = 1,29×10 -1 См×см -1 ; À 2 = 2,58×10 -2 См×см -1

По уравнению 3.6. рассчитываем постоянную ячейки:

К 1 = À 1 /L 1 = 0,42 см -1

К 2 = À 2 /L 2 = 0,40 см -1

Среднее значение К = 0,41 см -1

б)Приготовили два раствора уксусной кислоты с концентрациями c 1 =0,02моль×дм -3 и c 2 = 1×10 -3 моль×дм -3 . С помощью кондуктометра измерили их электрическую проводимость:

L 1 = 5,8×10 -4 См; L 2 = 1,3×10 -4 См.

в) Рассчитываем удельную проводимость:

À 1 = L 1 ×K = 5,8×10 -4 ×0,41 = 2,378×10 -4 Cм×см -1

À 2 = L 2 ×К = 1,2×10 -4 ×0,41 = 0,492×10 -4 См×см -1

г) По формуле (3.8.) находим молярную электрическую проводимость l 1 =11,89См×см 2 ×моль -1 ; l 2 = 49,2 См×см 2 ×моль -1

д) Находим, пользуясь табл.3.2. величину предельной молярной прово-димости уксусной кислоты: l 0 = 349,8 +40,9 = 390,7 См×см 2 ×моль -1 .

е) Наконец, рассчитываем для каждого раствора степень диссоциации (уравнение 3.12.) и константу диссоциации

a 1 = 3,04×10 -2 ; a 2 = 1,26×10 -1

К 1 = 1,91×10 -5 ; К 2 = 1,82×10 -5

Среднее значение К = 1,86×10 -5

Техническая реализация этой задачи позволит человечеству не платить непомерную дань за использование самого удобного вида энергии - в виде тепловых потерь при генерации, трансформации и передаче электроэнергии. Косвенным эффектом освоения сверхпроводимости стало бы и существенное улучшение экологии окружающей среды из-за снижения уровня выбросов вредных продуктов горения угля, мазута и газа тепловыми электростанциями, и прекращение бесполезного подогрева атмосферы Земли, и сокращение выбросов парниковых газов.

Проводимость, наравне с сопротивлением, играет большую роль в электротехнике и других технических науках. Её физический смысл интуитивно понятен из ее гидравлического аналога - все понимают, что у широкого шланга сопротивление потоку воды ниже, и, соответственно, он лучше пропускает воду, чем тонкий. Также и с электропроводимостью - материя с более низким сопротивлением лучше проводит электричество.

Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя, учёного и промышленника - основателя фирмы Siemens - Эрнста Вернера фон Сименса (Werner Ernst von Siemens). Между прочим, именно он предложил ртутную единицу сопротивления, которая несколько отличается от современного ома. Сименс определил единицу сопротивления как сопротивление столба ртути высотой 100 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0° С.

Физика явлений

твёрдым , жидким или газообразным плазмой

кристаллические и аморфные .

Эти зоны называются валентными зону проводимости запрещенной зоной

Электропроводность металлов

Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества. Изящный по своей простоте эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Carl Viktor Eduard Riecke) в 1901 году, убедительно доказал, что носителями тока в металлах является некая субстанция, на тот момент неизвестная. Он в течение года пропускал электрический ток через своеобразный «сэндвич» из разнородных металлов (медь-алюминий-медь) и, по завершению эксперимента, обнаружил отсутствие смешивания металлов. Позднее, трудами датского учёного Нильса Бора была создана и блестяще подтверждена теория планетарного устройства атома, состоящего из положительного ядра, включающего в себя частицы, которые мы сейчас называем нуклонами - это протоны и нейтроны - и внешних оболочек из отрицательно заряженных электронов. Этой теорией до сих пор пользуются физики, правда, привнеся в неё некоторые коррективы.

Электропроводность собственно полупроводников носит электронный характер и сильно зависит от примесей. Техническое использование этого свойства нашло применение в создании усилительных и ключевых элементов современной электроники. Характерными полупроводниками являются четырёхвалентные германий (Ge) и кремний (Si), образующие кристаллическую структуру из атомов, связанных между собой ковалентными связями из электронных пар внешней оболочки атомов. Привнесение примесей резко меняет проводимость этих полупроводников. Например, при добавлении пятивалентных атомов галлия(Ga) или мышьяка (As), в полупроводнике образуется избыток валентных электронов, которые становятся общим достоянием образца полупроводника, в этом случае говорят о проводимости n-типа. Если к полупроводнику добавляется трёхвалентный индий (In), то образуется недостаток валентных электронов, в этом случае говорят о «дырочной» проводимости р-типа.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от приложения внешних факторов, как-то: электрического или магнитного поля, освещения светом различной интенсивности и спектра или воздействия разного рода облучений вплоть до гамма-квантов. Слово «кванты» в английской терминологии не используется. Это свойство легированных полупроводников нашло широкое применение в современных технологиях . Уникальным свойством односторонней проводимости обладает сочетание полупроводников с различными видами проводимости, так называемый p-n переход, ставший основой современной электроники.

катионы и анионы

Электропроводность газов

фотохимическая ионизация ударная ионизация

Электропроводность в биологии

Сверхпроводимость

Если термин «электрическая проводимость» знаком, в основном, специалистам по физике и электротехнике, то о сверхпроводниках, стараниями журналистов, слышал почти каждый. Наряду с освоением термоядерной энергии, создание сверхпроводящих материалов, работающих при нормальных земных значениях температур, является мечтой и философским камнем физики 21-го века.

Техническая реализация этой задачи позволит человечеству не платить непомерную дань за использование самого удобного вида энергии - в виде тепловых потерь при генерации, трансформации и передаче электроэнергии. Косвенным эффектом освоения сверхпроводимости стало бы и существенное улучшение экологии окружающей среды из-за снижения уровня выбросов вредных продуктов горения угля, мазута и газа тепловыми электростанциями, и прекращение бесполезного подогрева атмосферы Земли, и сокращение выбросов парниковых газов.

Помимо этого, внедрение сверхпроводников в различные отрасли промышленности и транспорта, привело бы к новой технической революции, плодами которой могло бы пользоваться всё население Земли. Все электрические машины - генераторы, трансформаторы, двигатели - уменьшились бы в размерах, а мощность их возросла бы; применение электромагнитов на основе сверхпроводимости существенно приблизило бы решение проблемы термоядерного синтеза, а сверхскоростные поезда стали бы реальностью.

Исходя из этого, понятен интерес к проблеме сверхпроводимости со стороны учёных и инженеров всего мира, и уже появляются первые материалы, способные реализовать практическую сверхпроводимость. Главным направлением усилий исследователей стали в последнее время графен и графеноподобные материалы, являющиеся по сути дела двумерными структурами с уникальной проводимостью.

Определение и единицы измерения электрической проводимости

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Электрическая проводимость или, иначе, электропроводность является обратной величиной по отношению к сопротивлению. Обозначается проводимость буквой G.

В системе СИ электропроводность измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом⁻¹). В гауссовой системе и в СГСЭ используют статсименс, а СГСМ - абсименс.

Проводимость, наравне с сопротивлением, играет большую роль в электротехнике и других технических науках. Её физический смысл интуитивно понятен из ее гидравлического аналога - все понимают, что у широкого шланга сопротивление потоку воды ниже, и, соответственно, он лучше пропускает воду, чем тонкий. Также и с электропроводимостью - материя с более низким сопротивлением лучше проводит электричество.

Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя, учёного и промышленника - основателя фирмы Siemens - Эрнста Вернера фон Сименса (Werner Ernst von Siemens). Между прочим, именно он предложил ртутную единицу сопротивления, которая несколько отличается от современного ома. Сименс определил единицу сопротивления как сопротивление столба ртути высотой 100 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0° С.

Физика явлений

Сама по себе электропроводность какого-либо материала определяется, прежде всего, его физическим состоянием: вещество может быть твёрдым , жидким или газообразным . Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой , из которого состоят верхние слои нашего Солнца.

При рассмотрении явлений электропроводности в твёрдых телах не обойтись без современных представлений физики твёрдого тела и зонной теории проводимости. С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные .

Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы вещества образуют своеобразную объёмную или плоскую решётку; к таким материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют.

Из валентных электронов атомов внутри кристалла образуются ассоциации электронов, не принадлежащих конкретному атому. Точно так же, как состояния электронов в изолированном атоме ограничены дискретными энергетическими уровнями, состояния электронов в твердом теле ограничены дискретными энергетическими зонами . Эти зоны называются валентными или заполненными зонами. Кроме валентной зоны, кристалл имеет зону проводимости , которая расположена, как правило, выше валентной. Эти две зоны в диэлектриках и полупроводниках разделены запрещенной зоной , т. е. энергетической зоной, в которой не может находиться ни один электрон.

Диэлектрики, полупроводники и металлы с точки зрения зонной теории различаются только шириной запрещенной зоны. Диэлектрики имеют самую широкую запрещенную зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля электронов в зоне проводимости не имеется, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля в этой перекрытой зоне имеется достаточно большое количество электронов проводимости, которые могут двигаться и образовывать ток. Полупроводники имеют небольшие запрещенные зоны, и их электропроводность сильно зависит от температуры и других факторов, а также наличия примесей.

Электропроводность металлов

Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества. Изящный по своей простоте эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Carl Viktor Eduard Riecke) в 1901 году, убедительно доказал, что носителями тока в металлах является некая субстанция, на тот момент неизвестная. Он в течение года пропускал электрический ток через своеобразный «сэндвич» из разнородных металлов (медь-алюминий-медь) и, по завершению эксперимента, обнаружил отсутствие смешивания металлов. Позднее, трудами датского учёного Нильса Бора была создана и блестяще подтверждена теория планетарного устройства атома, состоящего из положительного ядра, включающего в себя частицы, которые мы сейчас называем нуклонами - это протоны и нейтроны - и внешних оболочек из отрицательно заряженных электронов. Этой теорией до сих пор пользуются физики, правда, привнеся в неё некоторые коррективы.

Проводимость металлов обусловлена наличием большого числа валентных электронов с внешних оболочек атомов металлов, которые не принадлежат конкретному атому, но стают достоянием всего ансамбля атомов образца. Совершенно естественно, что атомы металлов, имеющие на внешней оболочке большее число электронов, имеют и более высокую электропроводность - сюда относятся медь (Cu), серебро (Ag) и золото (Au), что всегда отличало ценность этих металлов для электротехники и электроники.

Электропроводность полупроводников

Электропроводность собственно полупроводников носит электронный характер и сильно зависит от примесей. Техническое использование этого свойства нашло применение в создании усилительных и ключевых элементов современной электроники. Характерными полупроводниками являются четырёхвалентные германий (Ge) и кремний (Si), образующие кристаллическую структуру из атомов, связанных между собой ковалентными связями из электронных пар внешней оболочки атомов. Привнесение примесей резко меняет проводимость этих полупроводников. Например, при добавлении пятивалентных атомов галлия(Ga) или мышьяка (As), в полупроводнике образуется избыток валентных электронов, которые становятся общим достоянием образца полупроводника, в этом случае говорят о проводимости n-типа. Если к полупроводнику добавляется трёхвалентный индий (In), то образуется недостаток валентных электронов, в этом случае говорят о «дырочной» проводимости р-типа.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от приложения внешних факторов, как-то: электрического или магнитного поля, освещения светом различной интенсивности и спектра или воздействия разного рода облучений вплоть до гамма-квантов. Слово «кванты» в английской терминологии не используется. Это свойство легированных полупроводников нашло широкое применение в современных технологиях. Уникальным свойством односторонней проводимости обладает сочетание полупроводников с различными видами проводимости, так называемый p-n переход, ставший основой современной электроники.

Электропроводность электролитов

Электропроводность электролитов - это способность растворов веществ проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы - катионы и анионы , которые существуют в растворе вследствие электролитической диссоциации. Ионная электропроводность электролитов, в отличие от электронной, характерной для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений.

Общая (суммарная) проводимость состоит из проводимости катионов и анионов, которые под действием внешнего электрического поля движутся в противоположных направлениях. Она связана с подвижностью ионов - характеристикой, зависящей от размеров и заряда имеющихся катионов и анионов. Как было доказано, уникальная подвижность ионов воды - атома водорода катиона Н+ и аниона гидроксильной группы ОН-, обусловлена строением воды, образующей ассоциации молекул с определённым зарядом. Механизм передачи заряда в таких ассоциациях называется крокетным и напоминает по своей сути механизм передачи энергии в бильярде – когда вы наносите удар битком в серию последовательно стоящих шаров, из этой ассоциации вылетает последний дальний шар.

Электропроводность воды, этого самого универсального растворителя на Земле, сильно зависит от примесей растворяемых веществ, именно поэтому электропроводность морской или океанической воды резко отличается от электропроводности пресной воды рек и озёр (мы также пользуемся лечебными свойствами минеральных вод, и отсюда проистекают легенды о живой и мёртвой воде).

Количественно электропроводность электролитов характеризуют эквивалентной электропроводностью - проводящей способностью всех ионов, образующихся в 1 грамм-эквиваленте электролита.

Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них свободных электронов и ионов, поэтому и называется электронно-ионной проводимостью. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого их электропроводность в нормальных условиях невысока. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается хорошим изолятором. Электропроводность газов очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещенными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство проводить электрический ток.

Этот процесс носит название ионизации. Механизмы её действия различны: в верхних слоях атмосферы Земли преобладает фотохимическая ионизация за счёт захвата нейтральной молекулой фотона ультрафиолетового излучения или кванта рентгеновского излучения, с испусканием отрицательного электрона и превращением молекулы в положительно заряженный ион. В свою очередь, свободный электрон, присоединяясь к нейтральной молекуле, превращает её в отрицательно заряженный ион. В нижних слоях атмосферы преобладает ударная ионизация за счёт столкновения молекул газа с корпускулярными частицами солнечного и космического излучений.

Необходимо заметить, что число положительных и отрицательных ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях очень малó по сравнению с полным числом его молекул. В 1 кубическом сантиметре газа при обычных условиях давления и температуры содержится около 30 * 10¹⁸ молекул. В то же время в том же объёме количество ионов обоих типов равно в среднем 800–1000. Это количество ионов варьирует в полном соответствии с временем года и временем суток, зависит от геологических, топографических и метеорологических условий и от погоды: так, например, летом число ионов значительно больше, чем зимой, в ясную и сухую погоду больше, чем в дождливую и облачную, при тумане ионизация приземной атмосферы сводится практически к нулю.

Электропроводность в биологии

Знание электропроводности биологических объектов даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и даже лечения. Учитывая то обстоятельство, что земная жизнь зародилась в морской воде, по сути дела являющейся электролитом, все биологические объекты в той или иной степени с точки зрения электрохимии представляют собой электролит, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.

Но, при рассмотрении протекания тока через биологические объекты, надо учитывать их клеточное строение, существенным элементом которого является клеточная мембрана - внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт свойств селективности. По своим физическим свойствам клеточная мембрана представляет собой параллельное соединение конденсатора и сопротивления, что предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.

В общем случае, биологическая ткань представляет собой конгломерат из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Поскольку последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, протекание тока в биологической ткани, а значит и её электропроводность носит нелинейный характер.

При низких частотах воздействующего тока (до 1 кГц), электропроводность биологических объектов определяется свойствами электропроводности лимфы и каналов кровоснабжения, при больших частотах (свыше 100 кГц) электропроводность биологических объектов пропорциональна общему количеству электролитов, содержащихся в ткани между электродами.

Знание характерных значений удельной электропроводности биологических тканей и характеристик клеточных мембран позволяет создавать приборы объективного контроля процессов, происходящих в клетках организма. Эта информация также помогает при диагностике заболеваний, и создании устройств, применяемых для лечения (электрофорез).

К сожалению, скорость протекания электрохимических реакций невысока, поэтому мы ухитряемся получить ожог раньше, чем отдёрнем руку от чего-то очень горячего - не успевают нервы передать сигнал опасности в мозг, а тот, в свою очередь, отреагировать немедленно – скорость реакции на внешние раздражители у нас составляет сотни миллисекунд. Именно поэтому службы управления движением запрещают нам садиться за руль в состоянии алкогольного или наркотического опьянения, из-за дополнительного снижения скорости реакции.

Сверхпроводимость

Открытое Камерлинг-Онессом в 1911 году явление сверхпроводимости (нулевого сопротивления протеканию тока) для ртути, охлаждённой до –270 градусов Цельсия, произвело переворот во взглядах физиков, обратив их внимание на квантовые процессы, обусловливающие такое состояние вещества.

С тех пор ученые включились в гонку температур, поднимая планку сверхпроводимости веществ всё выше и выше. Разработанные ими соединения, сплавы и керамики (фторированная HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ или Hg−1223) подняли температуру сверхпроводимости до 138 Кельвинов, что ненамного ниже минимальной температуры на Земле. Последней волшебной палочкой, позволяющей достичь вековой мечты, стали новые материалы с фантастическими свойствами - графен и графеноподобные материалы.

В первом приближении (достаточно грубом) сверхпроводимость металлов может быть объяснена отсутствием колебаний атомов кристаллической решётки, что уменьшает вероятность соударений с ними электронов.

Остановимся на нескольких аспектах практического применения сверхпроводимости. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в конце июня 2008 года. Южнокорейская компания LS Cable собирается создать в Сеуле и других городах сверхпроводящие линии электропередач с общей длиной сверхпроводящего кабеля в 3000 км. А трёхфазный концентрический кабель на 10 000 вольт проекта AmpaCity, разработанный и внедрённый в Германии, рассчитан на передачу 40 мегаватт мощности. По сравнению с медным кабелем такого же размера, сверхпроводящий кабель может передавать в пять раз больше энергии, несмотря на толстую охлаждающую рубашку. Проект запущен в работу в г. Эссен, Германия в 2014 году.

Также заслуживает внимания проект транспортировки электроэнергии (и водорода) из пустыни Сахара. По оценкам специалистов, существующие технологии способны обеспечить нужды всего человечества всего лишь 300-ми квадратными километрами солнечных батарей, размещёнными в пустыне Сахара. А для нужд всей Европы требуется только 50 квадратных километров. Но вопрос упирается в транспортировку этой энергии. Из-за потерь на передачу уйдёт 100% всей произведённой энергии. Был предложен весьма оригинальный способ передачи её без потерь через трубки из диборида магния (MgB₂), охлаждаемые изнутри потоком жидкого водорода. В результате имеем передачу электроэнергии через сверхпроводник без потерь плюс экологически чистое топливо - водород, производящийся на месте.

И, кроме того, использование солнечной энергии для производства электроэнергии и водорода таким способом, не будет нарушать экологического и теплового баланса Земли, что не присуще современным способам получения электроэнергии за счёт ископаемого топлива, будь то нефть или газ или уголь. Ведь их использование означает введение в атмосферу дополнительной солнечной энергии, ранее аккумулированной самой природой в этих источниках.

Отдельным вопросом применения сверхпроводимости на практике является применение магнитной левитации для наземного транспорта (поезда на магнитной подушке). Исследования показали, что этот вид транспорта будет в три раза эффективнее автомобильного транспорта и в пять раз эффективнее самолётов.

102.50 Кб

Электропроводность.

Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) - это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В системе СИ единицей измерения электрической проводимости является См. О способности отдельных веществ проводить электрический ток можно судить по их удельному электрическому сопротивлению ρ . Для суждения об электропроводности материалов пользуются также понятием удельная электрическая проводимость

Удельная электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м).

Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

где γ - удельная проводимость,

J - вектор плотности тока,

E - вектор напряжённости электрического поля.

Электрическая проводимость G проводника может быть выражена следующими формулами:

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

где ρ - удельное сопротивление,
S - площадь поперечного сечения проводника,
l - длина проводника,
γ = 1/ρ - удельная проводимость,
U - напряжение на участке,
I - ток на участке.

Измеряется электрическая проводимость в сименсах: [G] = 1/1 Ом = 1 См.

В веществах имеется два типа носителей зарядов: электроны или ионы. Движение этих зарядов создает электрический ток.

Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Вода. Лед. Пар.

Вода (оксид водорода)- химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии вода называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, – по одному ядру водорода.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. Лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах - по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру.

Водяной пар - газообразное состояние воды в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами. Он не имеет цвета, вкуса и запаха, образуется молекулами воды при ее испарении. Пар характеризуется очень слабыми связями между молекулами воды, а также их большой подвижностью. Его частицы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Свойства насыщенного пара (плотность, удельная теплоемкость и др.) определяются только давлением.

Электрическая проводимость воды

Чистая вода является плохими проводником электричества. Но тем не менее, хоть и очень мало, но она может проводить электрический ток из-за частичной диссоциации молекул воды на ионы H+ и OH–. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов H+, так называемые «протонные перескоки». Малая, почти отсутствующая проводимость обусловлена тем, что вода состоит из электрически нейтральных атомов и молекул, движение которых не может осуществить электрический ток. Однако растворы солей, кислот и щелочей в воде и некоторых других жидкостях хорошо проводят ток, причем чем больше растворенного вещества, тем большая его часть распадается на ионы, и тем выше проводимость раствора.

Концентрация ионов это первый фактор, влияющий на проводимость. Если при растворении не происходит диссоциации молекул, то раствор не является проводником электричества.

Остальные факторы: заряд иона (ион с зарядом +3 переносит в три раза больше ток, чем с зарядом +1); подвижность иона (тяжелые ионы движутся медленнее, чем легкие), а также температура. Раствор, проводящий электрический ток, называется электролитом.

Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление, а значит увеличивает ее удельную проводимость. Так, у дистиллированной воды оно составляет примерно 10ˉ 5 См/м, а у морской - порядка 3,33 См/м (для сравнения: бумага - 10ˉ 15 , медь - 0,5·10 8 См/м). Электрическая проводимость воды может служить показателем ее загрязнения.

Электропроводность льда

Электрическая проводимость льда весьма мала и во много раз меньше электрической проводимости воды, особенно если вода хотя бы немного минерализована. Например, удельная электропроводность пресноводного льда при температуре 0°С равна 0,27·10ˉ 7 См/м, а при -20°С равна 0,52·10ˉ 7 См/м, тогда как дистиллированная вода, из которой был получен этот лед, имела проводимость порядка 10ˉ 6 См/м.

Низкая проводимость льда обусловлена тем, что в обычных условиях в нем практически не содержится ни свободных носителей заряда, ни атомов, которым не хватает электрона (так называемых «дырок»).

Сухой снег, прежде всего, характеризуется малой электрической проводимостью, что позволяет располагать на его поверхности даже не изолированные провода. Его проводимость при температуре от -2 до -16 °С примерно 0,35*10ˉ 5 - 0,38·10ˉ 7 См/м и близка к удельной проводимости сухого льда. Влажный снег, напротив, обладает большой электрической проводимостью доходящей до 0,1 См/м.

Повысить проводимость льда можно при помощи минерализации (насыщения ионами) исходной воды кислотами, солями и основаниями. Тогда ионы будут оттягивать на себя электроны от соседнего атома, а те в свою очередь становиться ионами. Так, путем последовательного оттягивания будет перемещаться положительный заряд.

Проводимость водяного пара

Сам по себе пар, являясь газом в котором отсутствуют заряженные частицы и не является проводником электричества. Однако, повысить проводимость можно, если создать в нем заряженные частицы – молекулы, под воздействием различных внешних взаимодействий. Наибольшее влияние оказывают такие внешние агенты как рентгеновские лучи, лучи радия, сильный нагрев газа. Вызывают ионизацию, например приборы, называемые ионизаторами.

Механизм ионизации в газах заключается в следующем: нейтральные атомы и молекулы содержат одинаковое количество положительного электричества в виде центральных ядер и отрицательного – в виде электронов, окружающих эти ядра. Под воздействием различных причин электрон может быть вырван, и молекула, которая остаётся, приобретает положительный заряд. А вырванный электрон не остаётся свободным, он захватывается одной или несколькими нейтральными молекулами и сообщает им отрицательный заряд. В итоге получается пара противоположно заряженных ионов. Для того, чтобы электрон оторвался от атома ему необходимо затратить определённую энергию – энергию ионизации. Эта энергия различна для разных веществ и зависит от строения атома.

Каждый молекулярный ион, который образовался, притягивает нейтральные молекулы, и тем самым образует целый ионный комплекс. Ионы противоположных знаков, при столкновении друг с другом, нейтрализуют друг друга, в результате чего опять получаются исходные нейтральные молекулы –такой процесс называется рекомбинацией. При рекомбинации электрона и положительного иона высвобождается определённая энергия, которая равна энергии, затраченной на ионизацию.

После того, как прекращается действие ионизатора количество ионов в газе с течением времени становится всё меньше, и в конце концов практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что электроны и ионы принимают участие в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. В результате столкновения электрона и положительного иона они воссоединяются в нейтральный атом. А когда сталкиваются положительный и отрицательные ионы, последний в свою очередь может отдать положительному иону свой собственный избыточный электрон и оба иона станут нейтральными молекулами.

Из этого следует, что проводимость пара - явление временное. Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока.

Список использованной литературы:

• Вукалович М. П., Новиков И. И., Техническая термодинамика, 4 изд., М., 1968;
• Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1987
• А.Н. Матвеев. Электричество и магнетизм.
• http://ru.wikipedia.org/wiki/
• http://www.o8ode.ru/article/ water/
• http://provodu.kiev.ua/smelye- teorii/led

Описание работы

Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) - это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.

Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М» (далее - измерители) предназначены для одновременных измерений удельной электрической проводимости воздуха положительной (X) или отрицательной (X-) полярности.

Описание

Конструктивно измерители выполнены в виде выносного блока (блок аспирационных измерительных конденсаторов - БАИК) и блока питания и сопряжения (БПС), соединенных сигнальным кабелем.

Внутри БАИК расположены два аспирационных измерительных конденсатора (АИК), платы электрометрических усилителей (ЭМУ), вентилятор и блок управления. На лицевую панель блока вынесен разъем для подключения сигнального кабеля. Управление режимом работы измерителей и снятие показаний осуществляется с помощью компьютера со специальным программным обеспечением.

В состав БПС входят промышленно изготавливаемый импульсный преобразователь напряжения ~220/+24 В, 45 Вт, плата формирования рабочего напряжения АИК, модуль ЦАП NL-4AO для управления этой платой и встроенный генератор контрольного напряжения. На лицевой панели расположен тумблер «Сеть» для подключения БПС к сети и светодиод, сигнализирующий о подключении БПС к сети. На заднюю панель БПС вынесены разъемы для подключения кабеля сетевого питания, подключения к ПК, подключения сигнального кабеля к БАИК, подключения коаксиального кабеля от внешнего контрольного устройства, тумблеры для перевода измерителей в режим контроля, переключения между встроенным и внешним источниками контрольного напряжения, а также клемма защитного заземления.

В качестве встроенного источника контрольного напряжения используется встроенный генератор контрольного напряжения, который предназначен для формирования изменяющегося по линейному закону напряжения для контроля работоспособности измерителей.

Принцип действия измерителей основан на протекании тока через измерительный электрод АИК под действием приложенного напряжения на другой электрод при продувании через него исследуемого воздуха и преобразовании этого тока в выходное напряжение с его последующим измерением. Значение выходного напряжения пропорционально измеряемой удельной электрической проводимости соответствующей полярности.

Измерители работают под управлением персонального компьютера (ПК), связь с ПК осуществляется по линии цифровой связи стандарта EIA RS-485 в формате «запрос-ответ».

Внешний вид измерителей с указанием места нанесения знака утверждения типа и пломбирования (наклеек) приведены на рисунке 1.

1, 2, 3, 4 - места размещения наклеек Рисунок 1 - Общий вид измерителя «Электропроводность-2М» и места размещения наклеек

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) предназначено для установки на персональный компьютер (ПК), управляющий измерителями.

ПО представляет собой программный пакет, состоящий из основного исполняемого модуля Conduct_2M_Logger и дополнительных программных библиотек. ПО устанавливается на ПК под управлением операционной системы Windows XP или под управлением операционных систем более высоких версий.

Идентификационные данные ПО приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Идентификационные данные ПО

Уровень защиты ПО от преднамеренного и непреднамеренного вмешательства соответствует уровню «низкий» по Р 50.2.077-2014.

Таблица 2 - Метрологические и технические характеристики измерителей

Знак утверждения типа

наносится на боковую стенку измерителя в виде наклейки и на титульный лист руководства по эксплуатации и паспорта измерителя типографским способом.

Комплектность

Комплект поставки измерителей приведен в таблице 3.

Поверка

осуществляется по документу 651-15-42 МП «Инструкция. Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М». Методика поверки», утвержденному первым заместителем генерального Директора - заместителем по научной работе ФГУП «ВНИИФТРИ» 10 декабря 2015 г.

Перечень эталонов, применяемых при поверке:

Измеритель эталонный удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2Э», диапазон измерений полярной (положительной или отрицательной) удельной электрической проводимости воздуха от 5 до 40 фСм-м-1;

Измеритель комбинированный Testo 425 (Госреестр № 17273-11);

Вольтметр универсальный цифровой В7-34А (Госреестр № 7982-80);

Секундомер электронный Интеграл С-01 (Госреестр № 44154-10).

Знак поверки наносится на свидетельство о поверке в виде наклейки или оттиска поверительного клейма.

Сведения о методах измерений

Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М». Руководство по эксплуатации. ИРШЯ.416312.001 РЭ.

Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к измерителям удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М»

Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М». Технические условия. ИРШЯ.416312.001 ТУ.

Использование: в измерительной технике в гидрофизических исследованиях. Сущность изобретения: измеритель удельной электрической проводимости морской воды содержит генератор синусоидального сигнала 1, источник переменного тока 2, первичный измерительный преобразователь (ПИП) 3, два выпрямителя 4, 6, компаратор 5, источник постоянного тока 7, два управляемых ключа 8, 9, коденсатор 10, RS-триггер 11, интегратор 12, преобразователь напряжение - частота 13, делитель частоты 14, регистратор 15, распределитель 16. В измерителе автоматически уравновешивается выпрямленное выходное напряжение первичного ПИП 3 напряжением, накопленным времязадающим конденсатором 10, зарядный ток которого формируется из напряжения генератора 1, питающего ПИП 3, а время заряда устанавливается кратным периоду выходной частоты измерителя. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидрофизических исследованиях для измерения удельной электрической проводимости морской воды. Известен кондуктометр с трехэлектродной ячейкой, содержащий операционный усилитель, согласующий трансформатор с эталонным резистором во вторичной обмотке и источник питания. Принцип действия кондуктометра состоит в автоматическом уравновешивании токов в токовом электроде трехэлектродной ячейки и в цепи эталонного резистора. Величина тока, измеряемая по падению напряжения на эталонном резисторе, пропорциональна электрической проводимости жидкости, в которую погружается кондуктометрическая ячейка. Недостатком такого кондуктометра является низкая помехоустойчивость аналогового выходного сигнала, а также его зависимость от нестабильности амплитуды переменного напряжения источника питания, что снижает точность измерения. Известно устройство для измерения удельной электропроводимости жидкости, содержащее последовательно соединенные генератор синусоидального напряжения, первичный функциональный преобразователь и измеритель, второй вход функционального преобразователя подключен к выходу генератора; функциональный преобразователь выполнен в виде двухканального преобразователя напряжение-частота и содержит фазовращатель, два компаратора, источник опорного напряжения, логический блок, интегратор, преобразователи напряжение-частота и частота-напряжение. Принцип работы устройства заключается в уравновешивании длительностей 0 и х импульсов, формируемых компараторами их переменных напряжений U o и U x , поступающих с выходов генератора и первичного преобразователя соответственно. Напряжение U x с помощью фазовращателя приводится в синфазность с напряжением U 0 . На опорные входы компараторов подаются напряжения с выхода источника опорного напряжения (U 0) и по цепи обратной связи с выхода преобразователя частота-напряжение (U x). В установившемся режиме работы ( 0 =Т х) выходная частота устройства пропорциональна измеряемой электрической проводимости. Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная наличием фазовращателя в измерительной цепи устройства и вносимой им погрешности синхронизации фаз переменных напряжений U 0 и U х. Наиболее близким к предлагаемому измерителю по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения удельной электрической проводимости морской воды, содержащее генератор синусоидального сигнала, выход которого соединен с первичным преобразователем и входом источника опорного напряжения, компаратор, выход которого соединен с последовательно соединенными интегратором, преобразователем напряжение-частота и регистратором; второй вход компаратора соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, а второй вход с выходом источника опорного напряжения. Принцип работы устройства заключается в автоматическом уравновешивании напряжений U x и U п, поступающих на входы компаратора с выходов первичного преобразователя и преобразователя частота-напряжение соответственно. Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная нелинейностью синусоиды выходного напряжения генератора и нестабильностью опорного напряжения, а следовательно, нелинейностью зависимости выходного напряжения U п преобразователя частота-напряжение от изменений амплитуды выходного напряжения генератора. Цель изобретения повышение точности измерения посредством преобразования синусоидального напряжения генератора в зарядный ток времязадающего конденсатора. Это достигается тем, что в измеритель удельной электрической проводимости морской воды, содержащий генератор синусоидального сигнала, первичный измерительный преобразователь, компаратор, последовательно соединенные интегратор, преобразователь напряжения в частоту и регистратор, дополнительно введены последовательно соединенные делитель частоты, подключенный входом к выходу преобразователя напряжения в частоту, распределитель импульсов и управляемый RS-триггер, подключенный выходом к входу интегратора, источник переменного тока, соединенный входом с выходом генератора, а выходом с входом первичного измерительного преобразователя, выход которого через выпрямитель соединен с входом компаратора, подключенного выходом к второму входу RS-триггера, последовательно соединенные второй выпрямитель, соединенный входом с выходом генератора, источник постоянного тока, первый, второй управляемые ключи и времязадающий конденсатор, управляющие входы первого, второго ключей соединены соответственно с вторым и первым выходами распределителя, третий выход которого подключен к третьему входу управляемого RS-триггера, четвертый выход распределителя соединен с его вторым входом, второй вывод времязадающего конденсатора соединен с объединенными выходом первого ключа и вторым входом компаратора, первый вывод конденсатора заземлен. Достижение поставленной цели связано с преобразованием переменного напряжения генератора в зарядный ток времязадающего конденсатора, время заряда которого посредством коррекции частоты преобразователя напряжение-частота устанавливается кратным периоду выходной частоты; напряжение, накопленное конденсатором, компенсирует предварительно выпрямленное выходное напряжение первичного измерительного преобразователя. На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 временные диаграммы сигналов, поясняющие работу измерителя. Измеритель удельной электрической проводимости морской воды, содержит последовательно соединенные генератор 1 синусоидального сигнала, источник 2 переменного тока, первичный измерительный преобразователь (ПИП) 3, выпрямитель 4 и компаратор 5, последовательно соединенные второй выпрямитель 6, подключенный входом к выходу генератора 1, источник 7 постоянного тока, управляемые ключи 8, 9 и времязадающий конденсатор 10, подключенный вторым выводом к объединенным выходу ключа 8 и второму входу компаратора 5, первый вывод конденсатора 10 заземлен, последовательно соединенные управляемый RS-триггер 11, интегратор 12, преобразователь 13 напряжения в частоту, делитель 14 частоты, объединенный входом с входом регистратора 15, и распределитель 16 импульсов, подключенный первым выходом к R-входу триггера 11, второй S-вход которого соединен с выходом компаратора 5, вторые управляющие входы ключей 8 и 9 подсоединены соответственно к второму и первому выходам распределителя 16, третий выход которого подключен к третьему входу триггера 11, четвертый выход распределителя соединен со своим вторым R-входом. Измеритель работает следующим образом. Синусоидальное напряжение U г генератора 1 преобразуется источником 2 в переменный стабилизированный по амплитуде ток I я, питающий трехэлектродную ячейку ПИП 3: I я U г /R т2 , где R т2 сопротивление токозадающего резистора источника 2. На выходе ПИП 3 образуется синусоидальное напряжение кривая 17 (на фиг. 2), амплитуда которого обратно пропорциональна удельной электрической проводимости морской воды, в которую погружается ПИП 3. Выпрямитель 4 преобразует переменное напряжение с выхода ПИП 3 в постоянное напряжение U поступающее на первый вход компаратора 5:

Где К 4 коэффициент преобразования выпрямителя 4. На втором входе компаратора 5 при этом формируется компенсационное напряжение, накапливаемое времязадающим конденсатором 10 в течение длительности ри выходного импульса распределителя 16. Выходные импульсы преобразователя 13 (диаграмма 18 на фиг. 2), следующие с частотой f через делитель 14, уменьшающий частоту в К 14 раз, поступают на С-вход распределителя 16 (диаграмма 19 на фиг. 2), импульсы на выходах 1-4 которого представлены на диаграммах 20-23 на фиг. 2. Длительность ри импульсов на выходах 1-3 распределителя 16 определяется следующим выражанием: ри = . В течение длительности ри импульса (диаграмма 21 на фиг. 2) с второго выхода распределителя 16, поступающего на управляющий V-вход ключа 8, времязадающий конденсатор 10 заряжается (диаграмма 24, фиг. 2) от источника 7 постоянного тока, управляемого через выпрямитель 6 синусоидальным напряжением U г генератора 1. Ток заряда конденсатора 10 определяется следующим выражением: I 3 = , где К 6 коэффициент преобразования выпрямителя 6, R т7 сопротивление токозадающего резистора источника 7. Напряжение U c на обкладках конденсатора определяется временем з заряда, током заряда I з и емкостью С: U c = Максимальное значение напряжения U cmax , до которого может зарядиться конденсатор 10, определяется длительностью ри: U c max = По окончании длительности импульса 21 заряд конденсатора 10 прекращается, а с началом следующего цикла работы распределителя 16 в течение длительности импульса (диаграмма 20 на фиг. 2) с его первого выхода, открывающего ключ 8, осуществляется разряд конденсатора 10 (диаграмма 28 на фиг. 2). Компаратор 5, сравнивающий поступающие на его входы напряжения U c и U , срабатывает (диаграмма 24 на фиг. 2), если их равенство достигается в течение длительности импульса 21 (см. фиг. 2), т.е. з < < ри. Выходной импульс компаратора 5 (диаграмма 25 на фиг. 2) устанавливает триггер 11 в состояние лог. "1", которое действует на его выходе (диаграмма 26 на фиг. 2) в течение длительности импульса (диаграмма 22 на фиг. 2) с третьего выхода распределителя 16, поступающего на вход 3 управления триггера 11. Состояние лог. "1" на выходе триггера 11 вызывает увеличение выходного напряжения интегратора 12 (диаграмма 27, фиг. 2), что приводит к увеличению частоты f выходных импульсов генератора 13, а следовательно, к уменьшению длительности ри импульса (диаграмма 21, фиг. 2) распределителя 16, т.е. к выравниванию длительностей з и ри ( ри _ з). Если же электрическая проводимость морской воды такова, что напряжение U остается недосягаемым для напряжения U c в течение длительности ри (диаграмма 28, фиг. 2), сигнал на выходе компаратора 5 будет отсутствовать. Сигнал лог. "0", действующий при этом на выходе триггера 11, вызовет уменьшение выходного напряжения (диаграмма 29 на фиг. 2) интегратора 12. Частота f преобразователя 13 уменьшится, длительность ри возрастет, создавая возможность достижения равенства U U c в течение длительности ри. Таким образом, в течение нескольких циклов работы распределителя 16 наступит установившийся режим, характеризующийся условием з ри, т.е. достижением равенства напряжений U (1) (4) выходная частота преобразователя пропорциональна удельной электропроводимости морской воды. Предлагаемый измеритель имеет меньшую погрешность, а также более простую схему и высокую надежность. Лабораторные испытания подтверждают снижение относительной основной погрешности на 0,02% по сравнению с прототипом.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ