Програма mol Mоделювання електричного поля в щілинній ячейці Моллера і визначення розсіюючої здатності електролітів
Обєкт і мета розрахунків
Фізичний обєкт, який моделюється – стандартна щілинна електрохімічна ячейка (ячейка Моллера) для вимірювання розсіюючої здатності електролітів. Ячейка (рис.1) має в плані прямокутну форму і складається з двох камер – анодної, в якій розташований анод 1, і катодної, в якій розташовано катод 2. Ячейка розділяється перегородкою 3 з ізоляційного матеріалу. Перегородка коротша за довжину ячейки, тому між камерами утворюється щілина 4, яка відіграє роль неполяризуємого анода в катодній камері. Стандартизований розмір катодної камери 10042 мм, щілини- 3-5 мм.
Рис.1.
Схема щілинної ячейки Моллера для
вимірювання розсіюючої здатності
електролітів, вид зверху (а) і розподіл
густини
струму і маси
осаду на катоді (б). 1-анод, 2-катод
10-секційний , 3-перегородка, 4- щілина-анод.
Катод складається з 10 окремих секцій, які електрично з’єднані між собою паралельно. Секції можна виймати з ячейки і зважувати окремо, визначаючи кількість осаду металу.
Розсіююча здатність електролітів (РЗ).Як видно з рисунка 1а, ячейка спеціально сконструйована так , щоб секції, кожна шириною 1 см, були розташовані на різній віддаліLJ від щілини-анода (різні довжини стрілок). Густину струму на одній секції катода (j) площею1hсм2 можна якісно оцінити з виразу
,
(1)
де U-напруга на ячейці, ЕР – напруга розкладу електроліту, RП=(/і)/(1h) Ом –поляризаційний опір катодного процесу для j–тоїсекції в даному електроліті (питоме значення rП=(/і), Омсм2), (rOм)jconst LJ– омічний опір електроліту, виміряний між щілиною таj–тою секцією катода і приблизно пропорційний відстані LJ між ними. З формули (1) видно, що чим більша відстаньLJ між секцією та щілиною, тим більше значення опору (rOм)j і тим менша густина струму на цій секції. Тому на найближчих секціях електрода густина струму і маса осадженого металу будуть більші, ніж на віддалених (рис.1б). Формула (1) має лише якісний характер, бо розподіл густини струму вздовж катодаі(х) можна точно визначити лише після повного встановлення будови електричного поля в ячейці.
Слід звернути
увагу на те, що при значному поляризаційному
опорі RП
(rOм)j
можна вважати RП+(rOм)j
RП.
Тодіз формули (1) видно,
що
,
тобто густина струму і маса осаду в цих
умовах мають бути приблизно однакові
на всіх секціях.
Вимірюючи для реальних електролітів масу осаду металу на окремих секціях, можна кількісно визначити ступінь нерівномірності осадження металу на катоді. Таку оцінкуназиваютьрозсіюючою здатністю електроліту (РЗ), вона є важливою кількісною характеристикою електроліту, яка визначає його здатність давати рівномірні гальванічні осади на виробах складної геометричної форми. Формула для підрахунку РЗ електроліту за результатами вимірювань встандартній щілинній ячейці Моллера має вигляд:
,
,
(2)
де mJ —маси осаду металу на окремих секціях катода з номерамиJ= 1…10, mСР– середнє значення маси осаду на одній секції. В стандартній формулі (2) сумуються модулі (абсолютні значення) виразів в квадратних дужках. На першій частині секцій (ближній до щілини) значення цих виразів будуть позитивними (mJ mСР) , а на другій – негативними (mJ mСР) .
Число 6.6 є теоретично підрахованою величиною записаної в формулі (1) суми для спеціальних (ідеалізованих) умов, коли катодна поляризація повністю відсутня, тобто rП, RП0. Таке електричне поле в ячейці і розподіл густини струму на неполяризуємому катоді називають первинним. В первинному полі значення РЗ буде дорівнювати нулю: РЗ=1- 6.6/6.6 = 0.
В
протилежному граничному випадку, коли
RП(rOм)j,
(рівномірний розподіл густини струму
і металу на катоді) з формули (2) одержуємо
РЗ=1-0/6.6=1.
В реальних
умовах електродні процеси завжди
характеризуються деяким ненульовим
значенням поляризуємості або питомого
поляризаційного опору (
Омсм2),
тому значення РЗ завжди знаходиться
в інтервалі 0…1, а розподіл густини
струму i осаду – більш рівномірним, ніж
в первинному полі. Електричне
поле і розподіл густини струму при
ненульовому питомому поляризаційному
опорі катода називають
вторинним.
Відрізняють дві характеристики електролітів – розсіюючу здатність за металом (РЗМ), і розсіюючу здатність за струмом (РЗС). Перша визначається з формули (2) за результатами вимірювань мас осадів на секціях, а друга – за результатами вимірювань густин струмів (іJ), які можна виміряти, включаючи амперметри так, як показано на рис.1а для секціїj.Для визначення РЗСв формулу (2) підставляють замість мас осаду на секціях струми секцій. Якщо вихід за струмом металу (ВС) не залежить від густини струму, обидва способи дають однаковий результат. В протилежному випадку, якщо ВС зростає із зменшенням густини струму, розподіл маси осаду на катоді буде більш рівномірним (РЗСРЗМ), а якщо залежність ВС(і) має спадаючу форму (з координатоюхкатода спадає і густина струму і вихід за струмом) - нерівномірність стає більшою, РЗСРЗМ. Інколи таке явище виражено сильно (наприклад, в електролітах хромування), і на деталях складної форми метал в заглибленнях взагалі не осаджується. Для таких електролітів використовують термін “низькакриюча здатність”.
1.3. Мета роботи– моделювання електричного поля в катодній камері щілинної ячейки, вивчення впливу властивостей електроліту на розподіл локальної густини струму і маси (або товщини) осаду металу на катоді, підрахунок розсіюючої здатності електроліту
1.4. Програма МОL розраховуєелектричне поле в катодній камері щілинної ячейки, і його часткові характеристики – розподіл густини струму на катоді, маси осаду металу на катоді, розсіюючу здатність по металу і по струму (РЗМ, РЗС).
Вхідні дані – питомий опір електроліту, поляризаційна характеристика катода і залежність виходу за струмом від густини струму.
Вихідні дані:
1 – графічні зображення первинного і вторинного поля (системи еквіпотенціальних ліній), графіки розподілу густини струму і товщини осаду металу на катоді;
2–в файл REZ.REZ виводяться числові дані розподілу густини струму і товщини осаду металу на катоді, значення розсіюючої здатності, підраховані декількома способами.