Pracownia Zakładu Fizyki Technicznej Politechniki Lubelskiej |
||||||||
Nazwisko i imię Józwik Tomasz studenta: |
Instytut i symbol grupy Ed 3.5 |
|||||||
Data wykonania ćwiczenia: 18.12.1996 |
Symbol ćwiczenia: 5.1 |
Temat zadania: Pomiary SEM ogniwa metodą kompensacji. |
||||||
Zaliczenie: |
Ocena: |
Data: |
Podpis |
|||||
1.Tabela pomiarowa.
Lp. |
i |
Rx |
|
|
|
[A] |
[W] |
[V] |
[V] |
1 |
30 |
9780 |
2.934 |
|
2 |
35 |
8380 |
2.933 |
|
3 |
40 |
7330 |
2.932 |
|
4 |
45 |
6510 |
2.930 |
|
5 |
50 |
5860 |
2.930 |
|
6 |
55 |
5330 |
2.932 |
2.933 |
7 |
60 |
4890 |
2.934 |
|
8 |
65 |
4510 |
2.932 |
|
9 |
70 |
4190 |
2.933 |
|
10 |
75 |
3920 |
2.940 |
|
1 |
30 |
4690 |
1.407 |
|
2 |
35 |
4010 |
1.404 |
|
3 |
40 |
3510 |
1.404 |
|
4 |
45 |
3120 |
1.404 |
|
5 |
50 |
2820 |
1.410 |
|
6 |
55 |
2560 |
1.408 |
1.406 |
7 |
60 |
2340 |
1.404 |
|
8 |
65 |
2160 |
1.404 |
|
9 |
70 |
2010 |
1.407 |
|
10 |
75 |
1880 |
1.410 |
|
2.Cześc teoretyczna.
Ogniwem galwanicznym nazywa się układ przewodników elektronowych i jonowych, pozwalający na bezpośrednie przekształcenie energii chemicznej w energię elektryczną. Zazwyczaj ogniwo składa się z dwu elektrod metalowych zanurzonych w elektrolicie. Między elektrodami powstaje różnica potencjałów wywołana reakcjami chemicznymi, zachodzącymi na granicy faz metal-elektrolit. Tę różnicę potencjałów nazywa się siłą elektromotoryczną ogniwa.
Bezpośrednio po zanurzeniu metalu w roztworze, liczba jonów dodatnich przechodzących w jednostce czasu z powierzchni metalu do roztworu jest zwykle różna od liczby jonów przechodzących z roztworu i osiadających na powierzchni metalu. Jeżeli założymy że liczba jonów opuszczających metal jest większa niż liczba jonów osiadających na nim to metal uzyska ładunek ujemny, a roztwór dodatni. Na granicy faz metal-elektrolit powstaje elektryczna warstwa podwójna hamująca przepływ jonów dodatnich z powierzchni metalu do roztworu. Między metalem i roztworem pojawia się różnica potencjałów, dzięki której osiągany jest stan równowagi termodynamicznej. W stanie równowagi liczby jonów migrujących przez granicę faz w obu kierunkach są takie same.
Różnicę potencjałów między metalem a roztworem nazywa się potencjałem elektrody lub potencjałem pół ogniwa. Potencjał elektrody jM określony jest wzorem Nersta:
w którym k oznacza stała Boltzmanna, T-temperaturę, c-stężenie roztworu, j0-potencjał normalny elektrody.
W ogniwie galwanicznym złożonym z dwu elektrod metalowych, zanurzonych w elektrolicie różnica potencjałów elektrodowych jest siłą elektromotoryczną ogniwa którą można zapisać jako:
Wartość siły elektromotorycznej, jak wynika z tego wzoru zależy od potencjałów normalnych elektrod i od stężeń jonów w elektrolitach.
Przykładem ogniwa galwanicznego, którego elektrody zanurzone są w roztworach wodnych własnych soli, jest ogniwo Daniella. Składa się ono z elektrody cynkowej zanurzonej w roztworze siarczanu cynku i elektrody miedziowej zanurzonej w roztworze siarczanu miedzi. Oba elektrolity oddzielone są porowatą przegrodą. Porównując potencjały normalne tych elektrod, łatwo można zauważyć, że elektroda cynkowa jest ujemna względem miedziowej.
Wzór Nersta opisuje poprawnie zależność potencjału elektrody od stężenia elektrolitu tylko w przypadku roztworów rozcieńczonych. Dla innych roztworów, należy do wzoru wprowadzić aktywność a zamiast stężenia c. Aktywność dla substancji gazowych jest równa ciśnieniu cząstkowemu gazu w otaczającej atmosferze, natomiast aktywność czystych rozpuszczalników i ciał stałych jest równa jedności.
Wszystkie ogniwa galwaniczne, bez względu na rodzaj procesu elektrochemicznego zachodzącego w elektrodach można podzielić na ogniwa pierwotne i wtórne. W ogniwie pierwotnym znajduje się określona ilość reagentów; po ich wyczerpaniu ogniwo nie nadaje się do użytku. Ogniwa wtórne są to ogniwa o odwracalnym procesie przemiany energii chemicznej w elektryczną. Do tej grupy zalicza się akumulatory, które po rozładowaniu można ponownie naładować przez przepuszczenie przez nie prądu z zewnętrznego źródła.
Po połączeniu elektrod ogniwa galwanicznego przewodnikiem o rezystancji Rz, w obwodzie popłynie prąd elektryczny o natężeniu i, które jest określone prawem Ohma dla obwodu zamkniętego:
gdzie Rw jest oporem wewnętrznym ogniwa. Oznaczając przez U napięcie na biegunach ogniwa, prawo Ohma można zapisać następująco:
e=iRw+u
Jak widać w powyższym równaniu SEM możemy mierzyć za pomocą woltomierza o dużym oporze wewnętrznym, ponieważ prąd i jest wówczas pomijalnie mały. Najdokładniejszą jednak metodą jest metoda kompensacji która to będzie opisana w poniższym punkcie.
3.Shemat i opis wykonania ćwiczenia.
Pomiar siły elektromotorycznej polega na znalezieniu takiego punktu C na dzielniku napięcia dla którego różnica potencjałów VA-VC będzie dokładnie równa SEM. W takiej sytuacji, prąd w obwodzie bocznym nie popłynie a siła elektromotoryczna jest skompensowana różnicą tych potencjałów.
Po zamknięciu wyłącznika W2, ustawia się natężenie prądu i przy pomocy opornicy suwakowej RS. Następnie należy zamknąć na chwilę wyłącznik telegraficzny W1 i dobrać taką wartość oporu RX na dzielniku napięcia, przy którym wskazania galwanometru będą równe 0.
4.Opracowanie pomiarów.
Dla pierwszego źródła
Di=Di'+Di''
Di'=1mA
Di''=
Di=1mA+0.02mA=21mA
DRX=DR'+DR''+DR'''
DR'=
DR''=
DR'''=
DRX=10W
Dla drugiego źródła
Di=Di'+Di''
Di'=1mA
Di''=
Di=1mA+0.02mA=21mA
DRX=DR'+DR''+DR'''
DR'=
DR''=
DR'''=
DRX=10W