2. Методика измерения и аппаратура

Экспериментальное определение удельной электропроводности расплавов осуществляется методом моста переменного тока, методом вольтметра-амперметра или непосредственным измерением элетросопротивления омметром. В методе моста одним из плеч мостика Уитстона является неизвестное сопротивление расплава. О компенсации тока в определяемом сопротивлении судят по минимуму слышимости в телефоне или по убыли синусоиды тока в осциллографе.

Более простым в конструктивном отношении и удобным в работе является метод вольтметра-амперметра, в котором определение электросопротивления жидкого шлака основано на законе Ома:

R_x = , (7)

где R_x –сопротивление расплава, Ом; U- напряжение, подводимое к расплаву, β; J – сила тока в цепи, А.

В настоящей работе сопротивление R_x измеряется непосредственно цифровым омметром.

При измерении электросопротивления расплав находится в тигле-ячейке, в которую на определенную глубину погружены два электрода (или один центральный электрод, а вторым электродом служит сам тигель). При расчете удельной электропроводности æ на основании измеренного сопротивления R_x расплава между электродами необходимо знать постоянную ячейки K, так как

æ= (8)

Величина K эквивалентна отношению длины проводника l к его сечению S в соответствии с известной зависимостью

R_x = ρ ∙ = ∙ = ∙ K (9)

Постоянную ячейки устанавливают по эталонным растворам (например, водный раствор KCl определенной концентрации):

K= = æ∙R, (10)

где R – сопротивление электролита между электродами; ρ – удельное сопротивление электролита.

Схема лабораторной установки, на которой экспериментальное определение удельной электропроводности жидких шлаков осуществляется непосредственным измерением электросопротивления омметром, представлена на рис.1.

Величину постоянной измерительной ячейки K предварительно устанавливают по раствору KCl известной концентрации. Для нашей установки K=2.

3. Порядок выполнения работы

Включают печь 2, нагревая ее до первой из нескольких заданных преподавателем температур, которая поддерживается постоянно с помощью терморегулятора 1.

Прибором 9 измеряют электросопротивление R_x. Полученный замер заносят в таблицу.

Выполнив таким же образом замеры R_x для всех заданных температур, и внеся их в таблицу, заканчивают опыты, выключая печь 2.

По занесенным в таблицу измеренным значениям R_x рассчитывают по формуле (8) соответствующие величины удельной электропроводности æ.

Рис.1. Схема установки:

1 - терморегулятор; 2 -печь; 3 - тигель-электрод; 4 - расплав; 5 - центральный электрод; 6 - крышка печи; 7 - ограничитель погружения электрода; 8 - держатель электрода; 9 – омметр

æ = φ(T)

Номер измерения

Т, K

Rx, Ом

æ, Ом-I ∙см-I

lg æ

Вычислив значения lg æ, 1/Т и заполнив таблицу, строят график в координатах lg æ - 1/T (рис.2).

Рис.2. График lgæ = φ(1/T) для определения энергии активации электропроводности

В соответствии с зависимостью (6)

lg æ = - + = C - (11)

поэтому экспериментальные точки описывают прямой линией, тангенс угла наклона с положительным направлением оси абсцисс равен –a/b:

tg α = - = - (12)

По соотношению (12) вычисляют значения энергии активации перемещения ионов в процессе переноса электричества:

E æ=-2,3Rtgα (13)

В выводах обсуждают полученные значения æ, сравнивая их с величинами æ для металлов, полупроводников и солевых расплавов. Отмечают влияния Т на æ и обращают внимание на определенную опытным путем Е_æ, которая необходима для описания температурной зависимости æ в исследованном интервале температур.

Контрольные вопросы

1. Какова природа твёрдых и жидких металлургических шлаков?

2. Чем подтверждается электрохимическая теория взаимодействия металла со шлаком?

3. Дать определение удельной и эквивалентной электропроводности.

4. Какой зависимостью связаны величины æ и λ?

5. Какая существует связь между электропроводностью и вязкостью расплавов?

6. Каким уравнением описывается температурная зависимость удельной электропроводности?