Вода и электрический ток

Чтобы вещество смогло проводить электрический ток, в нем должны присутствовать заряженные частицы, способные свободно перемещаться через весь его объем под действием приложенного электрического поля. В металлических проводниках, например, такими заряженными частицами выступают свободные электроны, а в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы.

Диэлектрики вовсе не проводят постоянный электрический ток, поскольку заряженные частицы в их структуре хотя и есть, однако они связаны друг с другом, и не могут свободно перемещаться, образуя ток.

Но переменный ток пропускают даже диэлектрики, это называется током смещения, например конденсатор в цепи переменного тока на определенной частоте будет проводить ток так, словно является проводником.

Обычная неочищенная вода

Что касается обычной воды (речной, водопроводной, особенно — морской и т. д.), то в ней всегда присутствуют растворенные минеральные вещества, которые под действием приложенного электрического поля распадаются на ионы, способные двигаться как в электролите.

По этой причине обычная неочищенная вода проводит ток, ведя себя подобно слабому электролиту. Если через такую воду попытаться пропустить ток, то в течение небольшого времени он будет через нее идти, хотя и слабо.

Теоретически идеально чистая вода

Теоретически, если воду полностью очистить от примесей, то есть удалить из ее объема абсолютно все вещества, включая соли, газы, остатки кислот, то она станет диэлектриком, и будет вести себя как изолятор.

В ней не будет ионов, способных двигаться под действием электрического поля и образовывать ток, а сами молекулы воды — электрически нейтральны. Такую воду можно было бы использовать, например, в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора.

Реальная дистиллированная вода

Но в реальности даже дистиллированная вода (вода, очищенная путем испарения с последующей конденсацией пара) не бывает абсолютно чистой.

Есть российский ГОСТ 6709-72, определяющий массовую концентрацию остатка примесей в такой дистиллированной воде — не более 5 мг на литр, и минимальное удельное сопротивление не менее 2 кОм*м.

То есть куб дистиллированной воды со стороной длиной в 1 метр, с приложенными к нему по краям электродами, будет иметь сопротивление минимум 2 кОм. А если представить разлитую по полу дистиллированную воду, скажем, в объеме одного стакана (200 мл), то ее сопротивление в лучшем случае окажется 200 кОм. Можно сказать, что это практически — диэлектрик.

Нет смысла пытаться использовать такую воду как проводник постоянного тока. С этой точки зрения дистиллированная вода не проводит электрический ток. Ее обычно используют для коррекции плотности электролитов.

Почему стоит опасаться контакта любой воды с электричеством

Однако люди не зря боятся контакта любой воды с электричеством, особенно — с переменным напряжением из розетки. Даже сетевое напряжение с провода, упавшего в лужу воды, на которую может случайно наступить человек, способно вызвать миллиамперный переменный ток, которого будет достаточно для причинения организму вреда.

Человеческое тело и фаза из розетки, соединенные через лужу разлитой воды, образуют цепь с реактивными элементами, и если человек в такой ситуации случайно коснется заземленного предмета, то его ударит током. Вот почему необходимо избегать контакта электричества с водой. Как вы понимаете, с дистиллированной водой риск причинения вреда меньше, но он все равно остается. Поэтому лучше избегать попадания любой воды на электрические приборы.

Источник

Если через соленую воду пропустить ток

Актуальность выбора темы

По своим электрическим свойствам вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Чистая вода является диэлектриком. Поваренная соль так же является диэлектриком. Раствор соли в воде — проводник. Меня, ученика 8 класса, ещё не изучавшего электродинамику в курсе школьной физики, заинтересовало данное явление.

В учебниках физики за 10 класс я нашел теоретическое обоснование процесса протекание тока через раствор соли в воде.

Поваренная соль – твёрдый полярный диэлектрик. Под действием растворителя – воды происходит расщепление молекул соли NaCl на отдельные ионы Na + и Cl — . Такой процесс получил название «электролитическая диссоциация». В результате в диэлектрике – воде появляются свободные носители заряда, что обеспечивает прохождение электрического тока через раствор.

Следовательно, чем больше в жидкости свободных носителей заряда, тем больше должна быть сила тока. Я решил проверить гипотезу на опыте, меняя условия эксперимента.

Сила тока через раствор поваренной соли зависит только от массы растворенной соли.

Цель исследовательской работы

Исследование зависимости силы тока через раствор поваренной соли от массы соли, растворенной в воде при различных внешних условиях.

Задачи исследовательской работы

Собрать экспериментальную установку для исследования протекания тока через раствор поваренной соли.

Установить зависимость силы тока от массы соли, растворенной в воде, при различных внешних условиях эксперимента.

Обобщить полученные результаты, сделать вывод.

– протеканиеэлектрического тока через раствор поваренной соли.

– зависимость силы тока от массы соли, растворенной в воде.

Изучение теории – знакомство с теоретическим материалом.

Сборка экспериментальной установки.

Эксперимент – установление зависимости силы тока через раствор поваренной соли от массы соли, растворенной в воде при различных внешних условиях.

Анализ и обработка полученных результатов.

Синтез – интерпретация и обобщение полученных в ходе эксперимента данных.

Экспериментальная установка (приложение 1):

2) один цинковый и два медных электрода,

3) источник питания,

4) амперметр, миллиамперметр,

6) электронные весы,

Кювета наполнялась водой из-под крана объёмом 100 мл. При погружении в воду электродов и замыкании ключа амперметр не регистрировал наличие тока в цепи. Далее кювета наполнялась водой с растворенной в ней солью. Соль предварительно взвешивалась на электронных весах. В кювету погружались электроды, через раствор соли протекал электрический ток. Сила тока измерялась амперметром.

Для проверки гипотезы были проведены эксперименты:

исследование зависимости силы тока от массы соли, растворённой в воде при замене материала, из которого изготовлены электроды,

исследование зависимости силы тока от расстояния между электродами и глубиной их погружения в раствор при постоянной массе соли, растворенной в воде.

Результаты экспериментов приведены в таблицах и на графиках.

Исследование зависимости силы тока от массы соли,растворенной в воде при замене материала, из которого изготовлены электроды.

Расстояние между электродами r = 9см.

Опыт 1.1. Катод – медная пластина, анод – цинковая.

Источник

Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток

МОСКВА, 2 дек – РИА Новости. Ученые впервые проследили за тем, как одна молекула воды передает протоны своей «соседке», и раскрыли секрет того, почему вода пропускает ток, а другие похожие на нее вещества – не обладают таким свойством, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

«Когда через воду проходит ток, атомам кислорода при этом почти не приходится двигаться. Этот процесс можно сравнить с знаменитой «колыбелью» Ньютона, набором подвешенных шариков, выстроенных в линию. Если поднять один из них и ударить им по линии, только концевые шарики будут двигаться, а остальные будут стоять на месте», — рассказывает Марк Джонсон (Mark Johnson) из Йельского университета (США).

Дистиллированная вода, как и многие другие вещества, состоящие из двух неметаллических элементов, является изолятором, почти не пропускающим электрический ток. Но если в воду добавить даже очень небольшое число ионов, ее электропроводность резко вырастает и она становится полноценным проводником. О том, почему вода проводит ток, ученые спорят уже более двух столетий.

В начале 19 века немецкий химик Теодор Гротгус предложил теорию, которая объясняла то, почему вода пропускает через себя ток и почему электричество может разлагать ее на водород и кислород. Он посчитал, что молекулы воды могут захватывать лишние протоны и передавать их друг другу, подобно палочке в эстафете, благодаря формированию новых водородных и ковалентных связей и их быстрому распаду.

Источник

Некоторые «живучие» заблуждения о электричестве

Здравствуйте. Предлагаю сегодня поговорить об электричестве. Все мы, так или иначе, сталкиваемся с ним. В этой области знаний существует множество «мифов» и заблуждений. Я, как инженер-электрик, в прошлом физик, попытаюсь опровергнуть некоторые из них.

Первое . Вода является проводником электрического тока.

Да да,- это заблуждение. Молекулы воды, сами по себе, не проводят электрический ток. Ток проводят различные примеси в воде. Более того, чистая вода, например, дистиллированная , является хорошим изолятором. Это свойство воды часто используется на производствах и заводах.

Чаще всего в воде проводящей примесью выступает соль. Соль — хороший проводник. В том-то и опасность для человека: в нашем организме есть соленая жидкость — кровь. Именно благодаря соли в крови и, вообще, организме, электрический импульс из мозга доходит до мышц и органов. Если бы соли в нашем организме не было, мы бы не могли ни думать, ни шевелиться. Так вот, самый опасный удар током — это удар в кровь, либо ток, проходящий через левую сторону тела: левая нога- левая рука. Ведь тогда, проходя через кровь, ток поражает важнейший орган нашего тела сердце.

Второе . Резина и дерево — хорошие изоляторы.

Ну это правда- само по себе дерево, и сама по себе резина, не проводят ток. Однако, здесь есть подвох: к примеру, мокрое дерево проводит электрический ток. Так же кусок дерева может быть грязным, а ток может пойти по грязи. Деревянная палка, вместе с тем, может быть не чистым куском древесины, а остатком или частью чего-то, например какого-то стройматериала, может быть покрыт ламинацией, неизвестного состава, монтажной пеной, герметиком, может быть напичкана металличемкими гвоздями и т. п.

Здесь можно вспомнить об универсальном совете: если вы видите, что человека бьет током, нужно деревянной палкой отбросить человека от токоведущих частей. В данном совете по умолчанию предполагается, что палка не проводит ток. Будьте внимательны — только сухой, чистый кусок древесины.

И ещё о дереве, ошибка многих: карандаш. Да, дерево в карандаше не проводит ток, но сердечник — графит,- ещё как! Будьте осторожны.

Сложнее дело с резиной. Если дерево на глаз можно определить, что это дерево, то состав резины так просто не узнаешь. Это может быть каучук, который проводит ток. Также различные химические вещества, входящие в состав конкретного куска резины, могут быть проводниками.

Например, мы привыкли думать, что подошва наших ботинок не проводит ток. Будьте внимательны: это далеко не всегда так!

Электрики должны использовать специальные диэлектрические перчатки и диэлектрические боты, так называемые Средства Индивидуальной Защиты (СИЗ). Это специальные средства, которые должны проверяться в соответствии с регламентом. Важно понять, что резина, даже если она специальная, может выйти из строя от времени, из-за погодных факторов, на ней могут появится микротрещины, могут загрязнится и т. п. Что уж говорить о любых других резиновых материалах, которые, вообще, никем и никак не проверяются.

Источник

Солёная энергия

В Йенском университете им. Фридриха Шиллера разработан новый электрохимический процесс для проточных аккумуляторных батарей. Его «изюминка» в том, что в качестве электролита применяется самый обычный солевой раствор, позволяющий удешевить технологию и резко снизить экологические риски.

Забавно, но многолетние научные исследования привели немецких учёных к решению, которое и так известно каждому домохозяину. Просто мало кто об этом задумывается. Используя рассолы для того, чтобы получше запасти на зиму пищу (грибы, капусту, рыбу. ), люди эффективно сохраняют килокалории пищевой энергии.

Вряд ли можно придумать более дешёвый электролит, чем раствор обычной поваренной соли. И очень кстати, что, применяя рассол, можно для хранения энергии задействовать шахты на уже выработанных солевых месторождениях.

ЧЕМ ПРОЩЕ, ТЕМ ЛУЧШЕ

Напомним читателям, что в проточных аккумуляторных батареях используются резервуары с католитом и анолитом — ионосодержащими жидкостями. Насосы прокачивают эти жидкости через зарядно-генерирующий блок, по принципу действия напоминающий топливный элемент. В этом блоке анолит и католит соприкасаются с электродами, которые находятся по разные стороны мембраны, проницаемой для ионов. В зависимости от режима (заряд или разряд) концентрация ионов в баках увеличивается или уменьшается, а установка — потребляет или выдаёт электрический ток.

В первых проточных аккумуляторах (см. «Энерговектор», № 2/2012 г. , с. 6) использовалась серная кислота с растворёнными в ней ванадием и его оксидами. Эти вещества нужно было держать в специальных устойчивых к коррозии баках, и никакой речи об использовании природных хранилищ быть не могло. Сегодня оно стало возможным. Более того, учёные из Йенского университета пошли дальше и заменили ванадий, используемый для накопления заряда, на полимерный материал, что позволило обойтись недорогими мембранами. При этом достигаются плотность энергии порядка 10 Вт·ч на литр раствора и плотность тока 100 миллиампер на квадратный сантиметр поверхности электрода.

МЕГАВАТТЫ ИЗ ПЕЩЕР

Энергетическая компания EWE (Германия) взялась освоить новую разработку. В настоящее время EWE эксплуатирует на севере Германии восемь подземных газовых хранилищ, которые устроены в пещерах внутри солевых структур. Используя ещё две подобные пещеры объёмом по 100 тыс. куб. м для хранения рассола с полимерными добавками, компания EWE собирается построить самую ёмкую в мире систему накопления энергии (см. рис. 1). Рассол будет получен прямо на месте, для этого нужно будет залить пещеры водой.

Проект разбит на три этапа. На первом этапе намечено построить тестовую систему мощностью 10-20 кВт с резервуарами на поверхности земли, способную запасать 10-40 кВт·ч электроэнергии. Второй этап — масштабирование системы до мощности 100-500 кВт и ёмкости 0,5-2,5 МВт·ч. На третьем этапе (по плану — к концу 2023 г.) уже будет построена пилотная аккумулирующая станция мощностью до 120 МВт, способная накапливать до 700 МВт·ч энергии в двух соляных пещерах.

Удельная стоимость станции в расчёте на единицу мощности, согласно расчётам, получится практически такой же, как у гидроаккумулирующих систем. Однако ёмкость хранилища будет во много раз выше, а площадь занимаемых земель — меньше.

СИЛОЙ ОСМОСА

Для производства возобновляемой энергии можно использовать разницу в солевой насыщенности морской и речной воды. По оценкам учёных, из пресной воды, которую только одна река Амазонка выносит в Атлантический океан, можно непрерывного получать 1 ТВт мощности. На суше же можно использовать, например, солевые растворы, получаемые при извлечении нефти из скважин.

Учёные предложили два основных способа преобразования градиента солевой насыщенности в электроэнергию. Оба они основаны на использовании мембран.

Электростанции на основе эффекта накопления осмотического давления (PRO, Pressure Retarded Osmosis) устроены довольно просто (см. рис. 2). Резервуары с солёной и пресной водой разделены полупроницаемой мембраной. Под действием осмотических сил пресная вода проникает через мембрану в рассол, создавая повышенное давление в «солёном» резервуаре.

Теоретически рассчитанная разница осмотических давлений в месте, где река впадает в океан, достигает 30 бар, что эквивалентно напору 300 м — просто отличному, по меркам гидроэнергетики. Другое дело, что скорость фильтрации воды сквозь мембрану низка, а потому потребуются мембраны огромной площади, что выливается в большие затраты. Так, для 25-мегаваттной электростанции нужны мембраны площадью 5 млн кв. м. Удовольствие недешёвое, особенно если учесть, что мембраны имеют свойство забиваться примесями.

В 2009 г. в Норвегии государственная энергокомпания Statcraft построила на территории старой бумажной фабрики в Тофте экспериментальную осмотическую энергоустановку мощностью 5 кВт. Там испытывались мембранные модули общей площадью 2000 м²., которые обеспечили удельную мощность порядка 1-4 Вт/м2. Мембраны для промышленных осмотических электростанций должны быть гораздо эффективнее, тем более что часть энергии электростанции тратится на собственные нужды, включая подкачку и фильтрацию морской и речной воды.

ИОННАЯ СОРТИРОВКА

Технология реверсивного электродиализа (RED — Reverse ElectroDialysis) в своей основе совсем иная. Ионы солей под воздействием градиента насыщенности раствора проходят через две различные мембраны. Одна мембрана настроена на пропускание отрицательно заряженных анионов, другая — положительно заряженных катионов. Напряжение снимается с электродов, объединённых с соответствующими мембранами.

Главное преимущество реверсивного электродиализа — непосредственное преобразование разделённых зарядов в электрическую энергию, исключая гидротурбины. Благодаря этому преимуществу энергоустановки должны хорошо масштабироваться, причём как вниз, так и вверх. В лабораторных условиях уже получена удельная мощность в несколько ватт на квадратный метр мембраны.

В Нидерландах компания REDStack с 2014 г. тестирует пилотную установку, построенную прямо на дамбе, которая разделяет пресное озеро Эйссел и солёное Ваттовое море (см. фото вверху). Разница концентраций солей в этом месте такова, что для получения мощности 1 МВт необходимо прокачивать через систему всего 1 куб. м пресной и 1 куб. м солёной воды в секунду.

Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале Энерговектор.com или подписывайтесь на наш канал.

Портал Энерговектор — ​это ​ всегда свежие новости, комментарии финансовых аналитиков, оперативные фото- и видеорепортажи. На портале также размещаются расширенные версии статей, публикуемых в газете Энерговектор, с дополнительными иллюстрациями и видеовставками. Мы придаём большое значение вопросам престижа энергетических профессий, развитию отечественного энергетического машиностроения и энергоинжиниринга, обмену опытом и новым «прорывным» технологиям.

Источник