В данной статье я хотел бы показать для чего химику необходимо знать и понимать закон Ома. На первый взгляд не очевидно зачем химику изучать совсем другую область - электротехнику. Но как и во многих отраслях знаний, широкий кругозор может сильно облегчить жизнь, а то и помочь предотвратить аварию или несчастный случай. Разбираться на уровне специалистов-профессионалов в других областях действительно необязательно, но иметь представление полезно всегда.
Но вернемся к теме статьи. В первый раз с законом Ома встречаются ещё в школе. Этот закон выражается формулой:
I=U/R
где I - это сила тока, (измеряется в амперах, А), U - напряжение (измеряется в вольтах, В) и R - сопротивление (измеряется в омах, Ом).
Для объяснения процесса можно представить полный людей вагон метро или автобус. Вот вагон подъезжает к станции и открывает двери. Люди выходят спокойно и быстро. Это ток. Никакого напряжения между людьми нет, никто не сопротивляется их выходу.
Далее представим, что одна дверь вагона сломалась и не открывается, и всей массе людей надо выйти через одну оставшуюся. Мешающая дверь теперь играет роль сопротивления, ведь из-за неё люди выходят медленнее. А теперь добавим в конце вагона двух крепких парней, которым срочно надо выйти. Они опаздывают на пару в университет. Ну или в магазин за пивом, пока он не закрылся.
Эти ребята начинают толкать всех сзади и создают напряжение, из-за чего народ стал выходить быстрее. Вот примерное описание закона Ома.
В химии закон Ома работает, в числе прочего, в гальванической ванне. Гальваническая ванна представляет собой емкость, заполненную раствором (электролитом). Бывают маленького объема, бывают совсем большие, но это редко. Вдоль бортов ванны устанавливаются медные полосы. Они называются анодные штанги. На них крепятся пластины металла (аноды), которым надо покрывать детали. По центру ванны, параллельно медным полосами устанавливается ещё одна медная полоса. Она называется катодной штангой и на неё крепятся детали. Вариантов крепления много, но самый простой на крючки.
По всем медным полосам подается ток, только на анодные штанги подают плюс, а на катодные минус. И тут начинается процесс покрытия деталей. Для примера посмотрим на процесс цинкования. На анодные штанги мы завешиваем цинковые пластины. Пластины из чистого цинка. Как только мы на них подали ток, пластины начали растворяться. Процесс сопровождается выделением около пластин газа (кислорода), из-за чего там немного бурлит.
На катодные штанги мы завесили детали из стали и на них начал наноситься цинк, который до этого растворился с пластины. Вместе с цинком у деталей образуется водород, так что и у деталей тоже есть небольшое бурление.
Так, а причем тут закон Ома. А вот при чем. Для качественного покрытия требуется соблюдать параметр "плотность тока". Он выражается в А/кв.дм (ампер на квадратный дециметр). То есть, нам надо подавать точно определенную силу тока. Но электролит, как и детали, медные полосы, провода до источников тока, они все имеют сопротивление. Мало того, что оно есть, так оно ещё и изменяется постоянно. Состав электролита поменялся из-за работы - сопротивление изменилось. Завесили в ванну больше деталей - сопротивление изменилось. Пластины металла растворились - опять сопротивление изменилось. Получается, что установив один раз силу тока на источнике тока и забыть не получится.
Как видно из приведенной выше формулы закон Ома, любое изменение сопротивления тянет за собой изменение остальных двух параметров. Оно выросло, значит надо поднять напряжение, иначе нужная сила тока достигнута не будет. Сопротивление упало, значит убавляем напряжение, а то тока подается слишком много. Выходит, что тем, кто хочет наносить покрытие гальваническим способом, просто необходимо понимать, как же работает закон Ома. В противном случае высока вероятность постоянно получать некачественное и некрасивое покрытие.
Дополнительно хотел бы ещё рассказать про закон Фарадея. С ним в технологии гальванических покрытий напрямую работать необязательно, так как в отраслевой литературе все режимы по току и составы ванн разобраны подробно, по сути, на любые случаи.
Закон Фарадея выглядит вот так:
m=k ∙ I ∙ t
Не пугайтесь формулы, сейчас всё объясню.
m в данном случае - это масса. Масса вещества, которая выделяется на детали. k - электрохимический эквивалент вещества и для каждого металла он свой. Сейчас он нам не важен, поэтому не обращайте на него внимание. I - уже известная нам сила тока, а t - это время.
Формула эта достаточно проста, но очень полезна и удобна. Она позволит нам рассчитать, какую же массу металла мы можем получить, пропуская определенный ток за определенное время. А исходя из массы металла, а также площади детали и зная плотность металла, мы сможем рассчитать, какая же толщина покрытия у нас получится. Удобно.
Но повторюсь, в поточном производстве пользоваться необязательно, если процесс налажен.
Немного фотографий нанесенных покрытий:
Цинком покрывают для защиты от коррозии. Дело в том, что цинк более активный металл, чем железо, и поэтому он более охотно взаимодействует с воздухом. Жертвует собой ради сохранения детали.
Так выглядит серебро, нанесенное гальваническим способом. Оно матовое, не блестит, но блеска можно добиться полировкой, если необходимо. В этом виде это серебро техническое, наносится для улучшения электропроводности в электрическом оборудовании, а также как барьерное для предотвращения коррозии в резьбовых соединениях и улучшении свинчиваемости.
Напишите в комментариях, о применении на практике какого ещё фундаментального закона из химии и физики Вы хотели бы узнать, а также поделись, что понравилось или не понравилось в статье.
Спасибо за уделенное время!
Искренне Ваш!