Ćwiczenie nr 1 - Ogniwa
Celem tego zadania jest pomiar siły elektromotorycznej SEM generowanej w ogniwie organicznym i stężeniowym.
Prąd elektryczny to uporządkowany ruch nośników ładunku pod wpływem pola elektrycznego. Nośnikami takiego ładunku są przede wszystkim swobodne elektrony (w metalach), jony (w cieczach) oraz elektrony i dziury (w półprzewodnikach).
Dla przewodników metalicznych (w stałej temperaturze) natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami przewodnika.
I~U
Jest to prawo Ohma.
Poruszające się w metalu elektrony napotykają na przeszkody w postaci drgających jonów sieci krystalicznej metalu. Oznacza to, że przewodnik ma opór. Opór elektryczny przewodnika to stały dla tego przewodnika w danej temperaturze stosunek napięcia pomiędzy jego końcami do natężenia prądu. Przedstawia to wzór:
U/I = R U/I = const. 1Ω = 1V/1A
gdzie:
U- napięcie prądu wyrażane w V [wolt]
I- natężenie prądu wyrażane w A [amper]
R- opór wyrażany w Ω [om]
Opór elektryczny jest cechą każdego przewodnika. Zależy od jego długości, pola przekroju poprzecznego i rodzaju metalu. Wzór:
R = ρ * l/S
gdzie:
l- długość przewodnika [m]
S- pole przekroju poprzecznego przewodnika [m2]
ρ- opór właściwy zależny od rodzaju metalu [Ω * m]
Odbiorniki energii elektrycznej można łączyć szeregowo lub równolegle. Powstaje wtedy opór zastępczy. W zależności od tego, czy odbiorniki połączone są szeregowo czy równolegle inna jest definicja oporu zastępczego.
Opór zastępczy odbiorników połączonych szeregowo jest równy sumie oporów poszczególnych odbiorników.
R = R1 + R2 + R3
Odwrotność oporu zastępczego odbiorników połączonych równolegle jest równa sumie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników.
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Zgodnie z zasadą zachowania ładunku liczba elektronów wpływających do punktu x (do węzła) w czasie Δt jest równa liczbie elektronów wypływających z tego punktu w tym samym czasie. Tak też dzieje się w połączonych ze sobą odbiornikach równolegle.
Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że suma natężeń prądów wpływających do węzła W jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Ma to bardzo istotne znaczenie przy wyprowadzaniu wzoru na opór zastępczy odbiorników połączonych równolegle, bowiem w takim przypadku między końcami każdego z odbiorników panuje takie samo napięcie UAB.
Fakt ten możemy zapisać w taki sposób:
I1R1 = I2R2 = I3R3
Dla pary oporników mamy I1R1 = I2R2, skąd I1/I2 = R2/R1
Więc natężenia prądów płynących przez odbiorniki połączone równolegle są odwrotnie proporcjonalne do oporów tych odbiorników.
Każdy zbiór gałęzi , który tworzy w sieci elektrycznej obwód zamknięty nazywany jest oczkiem sieci. Drugie prawo Kirchhoffa nosi nazwę prawa Kirchhoffa dla oczka sieci elektrycznej. Mówi nam ono, że suma algebraiczna sił elektromotorycznych i napięć w oczku sieci jest równa zeru. W obwodzie występują dwa opory: opór r elektrolitu między elektrodami, zwany oporem wewnętrznym ogniwa i opór R zewnętrzny.
By móc pisać o sile elektromotorycznej SEM ogniwa należałoby wyjaśnić, jak zbudowane jest takie ogniwo chemiczne (galwaniczne). Składa się ono z dwóch płyt wykonanych z różnych przewodników (elektrody) i elektrolitu, w którym są one zanurzone. Mogą to być np. płyty: cynkowa i miedziana, zanurzone w roztworze kwasu siarkowego. Na skutek zachodzących reakcji chemicznych, między powierzchnią każdej elektrody a cienką warstwą otaczającego ją elektrolitu powstaje różnica potencjałów. Suma tych potencjałów (elektrody miedzianej i cynkowej) nazywana jest siłą elektromotoryczną ogniwa. Dotyczy to ogniwa niepracującego.
ε = ΔECu + ΔEZn
Natomiast potencjał ogniwa pracującego w warunkach niestandardowych oblicza się ze wzoru Nernsta:
E = E0 +- RT/nF * lg Cmol E = [V]
gdzie:
R- stała gazowa, R = 8,313 Pam3/molK lub J/K
n- ilość elektronów wymienionych w procesie elektronowym
F- stała Faradaya, F = 96500C (jest to ładunek jaki posiada 1 mol elektronów)
T- temperatura wyrażana w kelwinach
E0- potencjał normalny wyrażany w woltach
Cmol- stężenie molowe jonów w półogniwach lub stosunek stężeń molowych postaci utlenionej i zredukowanej pierwiastka w ogniwach redoks
Dla temperatury 298K współczynnik RT/F wynosi 0,0591V, więc:
E = E0 +- 0,0591/n * lg Cmol