XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ЕЁ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мещерягина Г.А. 1

---

1МАОУ «СОШ №85»

Ступаренко С.В. 1

---

1МАОУ "СОШ № 85"

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Вода играет большую роль в жизни человека. Мы живем на планете, на которой более 70 % занято водой.

Одним из замечательных свойств воды является ее исключительно высокая растворяющая способность. Все процессы жизнедеятельности человека протекают в воде как универсальном растворителе огромного количества химических веществ.

В настоящее время немалое количество людей склонны заботиться о своем здоровье. Они ведут правильный образ жизни, питаются «чистыми продуктами», стараются проживать в безопасных для здоровья местах, занимаются спортом. Большую роль в их жизни имеет чистая вода. Люди озабочены проблемой чистой воды. Либо они ищут источники таковой или покупают воду в магазине. При этом проблема здоровья связана с чистой водой напрямую. Вопрос о чистоте воды стоит со времен средневековья. Уже в те времена люди заметили, что употребляя воду из некоторых источников, они не болеют. Такие источники они называли «святыми». От традиции использовать воду в целях сбережения своего здоровья возникли первые курорты. «На воды» люди ездили уже с 14 века, а сегодня известны многие курорты, воды которых позволяют людям поправлять свое здоровье.

Мы знаем о Кавказских Минеральных водах, но и в нашем регионе есть санаторий «Борисовский», где имеются скважины с минеральной водой.

И в технических целях хорошая дистиллированная вода нужна в домашних условиях. Практически в каждой семье есть машина. Для заправки аккумулятора нужна дистиллированная вода. Однако, покупая таковую в специализированных магазинах, мы не можем точно говорить, что получаем качественный товар. Поэтому через некоторое время аккумулятор выходит из строя, а это ущерб для семьи на 3-15 тысяч рублей.

В промышленности используют электродный способ нагрева для нагрева проводников II рода: воды, молока, фруктовых и ягодных соков, почвы, бетона и т.д. Электродный нагрев широко распространен в электродных водонагревателях, водогрейных и паровых котлах, а также в процессах пастеризации и стерилизации жидких и влажных сред, тепловой обработки кормов.

«Как правило, в установки электродного нагрева вода подается из естественных источников. Пригодность воды для того или иного технологического процесса определяется ее физико-химическими показателями. Применительно к установкам электродного нагрева важнейшими физическими показателями качества воды являются солесодержание и ее удельное электрическое сопротивление.

Режим работы электродных аппаратов в основном зависит от удельного электрического сопротивления воды, которое в любой момент времени определяет ток и мощность аппарата. Для разных времен года и географических зон удельное электрическое сопротивление воды различно и колеблется от 5 до 300 Ом*м. В специальных лабораториях данное сопротивление определяют при температуре воды 293К, используя кондуктометр (ММ 34-04)».

Большое значение имеет знание удельного сопротивления воды, например, при испытании гидроизоляционных материалов и электрической изоляции, которую используют в природных условиях.

И это только малая часть того, где имеется необходимость знать удельное сопротивление воды.

Итак, понимая, что имеется особая нужда узнать качество воды, я выдвигаю гипотезу: измеряя сопротивление жидкости, можно уточнить качество воды.

Имея желание ответить на выдвинутые мной вопросы, я поставила цели:

Ознакомление с факторами, влияющими на электрическое сопротивление жидкости.

Установление связи электрического сопротивления жидкости с качеством воды.

Для достижения цели я определила следующие задачи:

1. Выяснить что такое электрическое сопротивление жидкости.

2. Узнать причину его возникновения.

3. Определиться со способом измерения сопротивления.

4. Провести эксперименты. Проанализировать полученные результаты.

5. Подтвердить или опровергнуть гипотезу.

В решении задач я буду использовать следующие методы:

сбор теоретической информацию (изучение литературы по темам электрический ток, ток в жидкостях, сопротивление жидкостей, способы измерения сопротивления);

изучение и оценка лабораторного оборудования;

эксперименты и наблюдения;

использование для расчетов компьютерной прикладной программы Excel.

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вода как электролит.

Для того, чтобы вещество проводило электрический ток, в нем должны присутствовать свободные заряженные частицы, которые могут перемещаться под действием электрического поля вдоль проводника. В металлических проводниках (проводниках первого рода) такими частицами являются электроны, а в жидкостях (проводниках второго рода - ионы).

Диэлектрики вообще не проводят электрический ток, поскольку заряженные частицы в этих веществах связаны друг с другом.

Обычная вода проводит ток, ведя себя подобно электролиту, потому что в ней присутствуют растворенные минеральные вещества, которые под действием приложенного электрического поля распадаются на ионы, способные двигаться как в электролите.

Вода является агрессивным растворителем. Поэтому, когда в нее попадают соли, они распадаются на ионы. Сама же чистая, дистиллированная вода является диэлектриком. Иногда, очень редко, молекулы воды тоже распадаются на ионы, поэтому проводимость нельзя считать равной абсолютному нулю. Но она настолько мала при нормальных условиях, что ею пренебрегают.

Не только соль влияет на проводимость. Это могут быть и кислоты, и щелочи. Главное, чтобы они растворялись в воде, распадаясь на ионы. Однако все же наиболее сильно на проводимость влияют именно соли.

Проводимость зависит не только от концентрации соли, но и от ее вида. Чем тяжелее ионы, тем они менее подвижны. И чем больше их заряд, тем больше сила тока.

Измеряя проводимость воды, можно определить степень ее загрязнения примесями. Измерения следует проводить при определенной температуре, так как она тоже влияет на электричество.

1.2 Электропроводность. Теоретическая часть.

«Электропроводность (электрическая проводимость) — способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля.

Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и ее механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Скорость движения ионов зависит от напряженности электрического поля, температуры, вязкости раствора, радиуса и заряда иона и межионного взаимодействия.

В отличие от металлов (проводники 1-го рода) электрическая проводимость растворов как слабых, так и сильных электролитов (проводники 2-го рода) при повышении температуры возрастает. Этот факт можно объяснить увеличением подвижности в результате понижения вязкости раствора и ослаблением межионного взаимодействия.» [1]

1.3 Измерение сопротивления воды. Теоретическая часть.

«Итак - как измерить сопротивление воды (равно как и любой другой жидкости)? Вначале - теория. Открываем, к примеру, учебник по общей физике (Сивухин Д.В. Электричество: Учебное пособие.-2-е изд., испр.-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.-(общий курс физики).-688с.). И - любуемся формулой (46.5):

R- сопротивление проводящей среды,
- диэлектрическая проницаемость среды (воды),
- удельная электропроводность среды,
С - емкость электрода.
Индексы "1" и "2" относятся к первому и второму (измерительному) электродам соответственно.
Эта формула записана в гауссовой системе единиц. Приведем ту же формулу, преобразованную в обычную, привычную систему СИ (стандартная система единиц)

= 8,854*10^-12 Ф/м - электрическая постоянная.
Т.е. дело тут - в емкостях (и, соответственно, форме) электродов, при помощи которых будут проводиться измерения. Идеальный случай - это концентрические сферы; чуть хуже, но, тоже неплохо, - длинные коаксиальные цилиндры. Однако, в домашних условиях и те, и другие типы электродов изготовить затруднительно (ну, как минимум, хлопотно). Да и необязательно.
Самый простой вариант, который можно легко реализовать в домашних условиях - это два протяженных линейных электрода (попросту говоря - две относительно длинные тонкие проволоки), находящиеся на определенном расстоянии друг от друга.
Таким образом, зная емкости измерительных электродов и принимая, что среда около первого и второго электродов - одна и та же, а также тот факт, что электроды - одинаковые, можно определить электрическое сопротивление среды (в данном случае - жидкости - воды). При этом формула примет более простой вид:

С - емкость ДВУХ электродов (т.е. емкость конденсатора, образованного двумя одинаковыми электродами). Надеемся, читателям известно, что бывает емкость конденсатора (содержащего, как минимум, два электрода - обкладки), а бывает - емкость ОДНОГО, отдельно взятого, электрода. Это - разные вещи.
В случае, если электродами являются две одинаковых проволоки, емкость их можно записать в виде формулы (преобразованной в систему СИ):

ln - натуральный логарифм,
l - длина проволоки, погруженной в жидкость, м,
h - расстояние между проволоками, м,
а - радиус проволоки, м.
Данная формула верна при следующих условиях:
l >> h >> a
Дело в том, что при несоблюдении указанных условий будут оказывать весомое влияние краевые эффекты, которые исказят результаты расчетов и фактическая величина емкости С может (существенно) отличаться от рассчитанной. Кроме того, вышеприведенная формула выведена в предположении наличия бесконечной (по размерам) проводящей среды. Если же размеры последней (определяемые, к примеру, как габаритные размеры сосуда, в котором находится вода) конечны, тогда формула будет давать приближенное значение емкости С.

Подставляя эту формулу в выражение для сопротивления R, получим:

Как видим, диэлектрическая проницаемость среды сократилась; это означает, что электрическое сопротивление ее не зависит от диэлектрической проницаемости.
Перепишем последнюю формулу в более удобном для практического применения виде:

Что мы получаем? Если известна величина электрического сопротивления (в Омах), полученная в ходе измерений (омметром, тестером или т.п.) при помощи двух тонких, длинных, удаленных друг от друга электродов, погруженных в среду (воду), то по этой формуле можно определить ее электрическую проводимость. Электропроводность жидкости измеряется в (Ом*м)^-1.
Таким образом, эта формула дает нам весьма простой путь определения электропроводности воды с целью последующего сравнения ее с нормативным значением. Для этого необходимо лишь определиться с параметрами электродов и сосуда, в котором находится жидкость (вода). Так, мы оговорили, что должно быть l >> h >> a.» [2]

ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ВОДЫ.

2.1 Цель практического исследования.

Я ставила перед собой цель измерить проводимость воды, взятой из разных источников. Это вода из - под крана, бутилированная вода различных производителей, вода, полученная из чистого снега, вода, подвергшаяся неоднократной заморозке и размораживанию.

В ходе работы ставилась цель пронаблюдать, есть ли указанная зависимость проводимости от температуры.

2.2 Описание и результаты опытов.

Для опытов мне необходимы:

миллиамперметр,

вольтметр,

батарейка на 4 В,

ключ,

емкость с водой,

электроды на держателе,

соединительные провода.

В ходе опытов я соблюдала следующие условия:

длина электродов должна быть больше, чем расстояние между ними; а последнее, в свою очередь, много больше радиуса каждого из электродов.

Мною были использованы такие параметры:
l=5,25 cм
h= 2 см
а=0,3 см.
Размеры сосуда должны быть больше самой установки. Для опытов я брала ёмкость 0,3 л (химический стакан).

Банка должна быть тщательно вымыта той же водой, тестирование которой предполагается и без применения моющих средств, иначе их частицы попадут в воду и исказят желаемые результаты.
Погружаем в емкость электроды на одинаковую глубину, располагая их на достаточном расстоянии друг от друга (не менее, чем 4...5 радиусов проволоки). Это расстояние должно быть точно известно, поэтому я взяла электроды из комплекта приборов ГИА - лаборатория набор оборудования «Электромагнитные явления» часть 1. Пришлось убрать пружинку между электродами, чтобы ток шел непосредственно через жидкость. Затем собираем цепь, состоящую из амперметра, вольтметра и производим измерения (Приложение 1).

После этого определяем величину электропроводности воды, выражаемую в (Ом*м)^-1. После этого рассчитываем удельное сопротивление при разных температурах, приводим показания согласно ГОСТ 1516.2-97 к сопротивлению при 20⁰С, и вычисляем среднее значение.