5.4. Приклади дії електричних полів в системах технічної електрохімії і способи управління полями.

Електрохімічні об’єкти, де виникають специфічні польові ефекти, дію яких потрібно враховувати, досить поширені. Розглянемо декілька прикладів.

1. Нерівномірність розподілу густини струму по поверхні великогабаритних електродів. Це ситуація, яка розглядалась в попередньому пункті 5.3. Термін „великогабаритні” означає відносний розмір габаритів електродів по відношенню до їх товщини. При умові G,H>>h відносна роль опору самого електроду зростає, тобто зростає частка падіння напруги на опорі електроду в сумарному значенні падіння напруги при роботі елемента (ХДС або електролізера). Це видно з формули (5.22) – чим менше h, тим менше і H_KP.

2. Виникнення крайових ефектів на електродах. З практики відомо, що на краях електродів, якщо не вживати спеціальних засобів, концентруються лінії струму і густина струму підвищена. Цей ефект є наслідком структури електричного поля (рис.5.7). В гальванотехніці він часто проявляється наростанням дендритів на краях або погіршенням якості металевого осаду.

Рис.5.7. Поле струму електрохімічної ячейки і епюра густини струму на електроді.

Боротися з цим явищем можна, перекриваючи ділянки електроліту з підвищеною густиною струму ізоляційними екранами, використовуючи електроліти з високою розсіюючою здатністю, тощо.

3. Нерівномірний розподіл струму на електродах складної форми. Таке явище спостерігається в гальванотехніці при катодному осадженні металевих покрить на виробах складної геометричної форми. На частині поверхні катода, яка розташована в заглибленнях, або віддалена від анода, густина струму зменшена, тому там товщина покриття також менша (рис.5.8).

Рис.5.8. Поле густини струму в заглибленні. Штрихи вказують напрям струму, їх довжина пропорційна густині струму.

В таких випадках використовують електроліти з високою розсіюючою здатністю, або використовують аноди спеціальної форми (по рис. 5.8 розподіл струму буде більш рівномірним, якщо анод розташувати в заглибленні)

4. Ефект екранування. В деяких випадках регулювати розподіл струму (досить грубо) можна шляхом встановлення в електроліті додаткових екранів з ізоляційного матеріалу (рис.5.9). Екран деформує електричне поле, внаслідок чого змінюється і характер розподілу густини струму на поверхні електродів.

Рис. 5.9. Вплив екрану на розподіл густини струму на електроді

4. Ефекти взаємного розташування електродів

Р

егулювати електричне поле і розподілу густини струму на поверхні електродів можна також шляхом такої орієнтації електродів, щоб різні ділянки були розташовані на різній віддалі (рис.5.10).

5. Ефект нерівномірного розчинення анодів

При використанні тонких розчинних анодів в гальванотехніці (рис.5.11) поле концентрується поблизу струмовідводу, тому густина струму буде найвища саме там. Внаслідок цього поблизу струмовідводу анод розчиняється швидше. З часом це призведе до порушення контакту анода із штангою

Рис. 5.11. Електричне поле (а),розподіл густини струму на тонкому аноді (б) і перетин анода через деякий час

Крім того, деформація електричного поля при використанні тонких анодів означає також і нерівномірний розподіл густини струму на катоді, тобто погіршення якості покриття внаслідок відхилення густини струму від оптимальної

6. Ефект розташування і форми струмопідводів

В тонких електродах внаслідок втрат напруги в самому електроді при пропусканні струму електричне поле і струм концентруються в області контакту-струмопідводу, як на рис.5.7. В таких умовах важливо для нейтралізації цього ефекту або робити струмовідвід ширшим, або якщо це неможливо – підводити струм паралельно через декілька струмовідводів.

7. Мікророзподілення густини струму

Ефекти нерівномірного покриття спостерігаються і в умовах, коли поверхня електроду має складний мікрорельєф з мікро впадинами та мікровиступами (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Мікрошорсткий електрод

Рівняння для визначення густини струму в заглибленні електрода з мікровиступами можна записати:

, (5.23)

де Е- напруга розкладу. В такій конструкції, як на рисунку, поле в електроліті повинне бути рівномірним по координатах, паралельних електродам. Незважаючи на це, тут також в заглибленнях густина струму буде малою, а на виступах –підвищеною. Це видно з виразу (5.23) – для точки в заглибленні другий доданок знаменника буду великим числом через мале значення площі перетину мікропор S₂.

Для виступу другий доданок знаменника дорівнює нулю, тому густина струму підвищена. В даному випадку мікро шорсткий електрод фактично можна розглядати як пористу систему.

8. Ефект росту дендритів

В деяких умовах, особливо при тривалих процесах, на поверхні катодів при електроосадженні металів поверхня виявляється неоднорідною, і метал осаджується нерівномірно, утворюючи окремі виступи. Причини первинної неоднорідності різні , це можуть бути і поверхневі фактори (кристалічна структура, електрохімічні та адсорбційні властивості окремих граней кристалів, тощо), і умови конвекційного та дифузійного транспорту іонів металу до поверхні. Але коли геом5етрична неоднорідність поверхні вже виникла, електричне поле, концентруючись на виступах (рис.5.13), значно підсилює ефект дендритоутворення.

Рис. 5.13. Електричне поле в області росту дендритів