Электрохимические расчёты Электролиз

Количество вещества, выделяющееся при электролизе на отрицательном электроде (катоде), пропорционально количеству электричества (заряду), проходящему через электролит.

Количество вещества m, выделяющееся при прохождении заряда в один кулон, называется электрохимическим эквивалентом А, поэтому:

m = A*Q или m = A*I*t,

где m – масса выделенного вещества (кг, г, мг, см³); Q – количество электричества (Кл = А*с); I – электрический ток (А); t – время (с).

У каждого металла свой электрохимический эквивалент А имеет размерность, соответственно кг/(А*с), г/(А*с), мг/(А*с), см³/(А*с)

Электрохимический эквивалент меди

А = 0.329 мг/(А*с)

Электрохимический эквивалент кислорода

А = 0.058 см³/(А*с)

Электрохимический эквивалент водорода

А = 0.116 см³/(А*с)

Электрохимический эквивалент олова

А = 0.03075 мг/(А*с)

Электрохимический эквивалент хрома

А = 0.180 мг/(А*с)

Электрохимический эквивалент алюминия

А = 0.093 мг/(А*с)

В настоящее время на алюминиевых заводах производится электролиз при полупроводниковых выпрямителей с током до 50÷100 кА.

Аккумуляторы

Напряжение питания каждого элемента свинцового аккумулятора после зарядки 2.7 В и не должно падать ниже 1.83 В при разрядке.

Напряжение железоникелевого аккумулятора в среднем равно 1.1 В. Зарядный и разрядный ток аккумулятора ограничен и заряжается заводом-изготовителем (примерно 1 А на 1 дм² пластины).

Количество электричества, которое можно получить от заряженного аккумулятора, называется ёмкостью аккумулятора и измеряется в ампер-часах (А*ч). Аккумуляторы характеризуются также отдачей по энергии и току. Отдача по энергии равна отношению энергии, полученной при разрядке, к энергии, затраченной на зарядку аккумулятора:

η_эн = W_р/W_з .

Для свинцового аккумулятора η = 70 %, а для железоникелевого η = 50 %. Отдача по ёмкости равна отношению количества электричества, полученного при разрядке, к количеству электричества, необходимого для зарядки:

η = Q_р/Q_з = (I_р*t_р)/(I_з*t_р).

У свинцовых аккумуляторов η = 90 %, а у железоникелевых η = 70 %.

По определению:

η_эн = W_р/W_з = (U_р*I_р*t_р)/(U_з*I_з*t_з).

Так как U_р/U_з < 1, то отдача по ёмкости аккумулятора больше, чем отдача по энергии, т. е. η_эн < η.

Расчёт ёмкости конденсатора

Конденсатор состоит из двух или более электродов (пластин, обкладок), которые разделены изоляцией (диэлектрик, воздух). Ёмкость С характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд Q. Заряд, напряжение и ёмкость конденсатора связаны соотношением:

Q = C*U

Коэффициент пропорциональности есть ёмкость конденсатора. Единицей измерения ёмкости является фарад (Ф). Ёмкость 1 Ф имеет конденсатор, заряд которого при напряжении 1 В равен 1 Кл (кулон) = 1 А*с. Фарад – очень большая единица измерения. Поэтому на практике пользуются более мелкими единицами: микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ), причём

1 Ф = 10⁶ мкФ = 10⁹ нФ = 10¹² пФ

1 мкФ = 10³ нФ = 10⁶ пФ

1 нФ = 10³ пФ

Ёмкость воздушного конденсатора (в пикофарадах) определяется по формуле:

С = (1.11*S)/(4*π*d)

Где S – площадь одной обкладки, см²; d – расстояние между обкладками, см.

Ёмкость воздушного конденсатора (рис.1), состоит изn-пластин, т.е. n-1 параллельно соединенных конденсаторов с двумя электродами,

рис1

Если пространство между пластинами заполнить диэлектриком – например, бумагой, то ёмкость конденсатора увеличится в ε_r. В случае бумажной изоляции, ёмкость увеличится в ε_r = 3 раза, при слюдяной изоляции в ε_r = 5-8 раз, при стеклянной - ε_r = 7 раз и т. д. Величина ε_r (эпсилон) называется относительной диэлектрической проницаемостью изоляции (диэлектрика). Ёмкость конденсатора с двумя обкладками, изоляция которого имеет диэлектрическую проницаемость ε_r

Эта формула получена из более общей

где ε₀ - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума)

);

- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (безразмерная величина). В эту формулу размерность подставляется в метрах, ёмкость получается в фарадах.