惠斯登电桥
电解质溶液的电导通常利用惠斯登(Wheatston)电桥测量,但测量时不能用直流电源,因直流电流通过溶液时,导致电化学反应发生,不但使电极附近溶液的浓度改变引起浓差极化,还会改变电极的本质。因此必须采用较高频率的交流电,其频率通常选为1000HZ左右。另外,构成电导池的两极采用惰性铂电极,避免电极发生化学反应。
惠斯登电桥的线路如图所示,其中S为交流信号发生器,R1、R2和R3是三个可变交流变阻箱的电阻,Rx为待测溶液的电阻,H为耳机(或示波器),C1为在R3上并联的可变电容器,以实现容抗平衡。测定时,调节R1、R2、R3和C1,使H中无电流通过,此时电桥达到了平衡。则有:
即
的倒数即为溶液的电导,即
由于温度对溶液的电导有影响,因此实验在恒温条件下进行。
如上所述,电解质溶液属于离子导体,其电阻同电子导体一样,也服从欧姆定律和 (推导)式,因此两者测量电阻的原理和方法相同,即都是利用惠斯登电桥。所不同的是,电解质溶液的导电是由正、负离子共同承担的,导电过程中在两电极上总是伴随着电化学反应,这种特殊性导致在测量技术上需做如下三点改变:(1)使用交流电源,且保证交流电的波形对称,使交流电前半周在电极上产生的变化在后半周得以抵消,最好是纯正弦波(可采用音频振荡器),它可使正反两方向流过的电量完全相等,因而可以认为电极上没有化学反应产生。如果交流波形不对称,则可能在某一方向上电量过剩,造成电极的极化。(2)因采用交流电源,所以不能用直流检流器,而改用示波器或耳机。(3)需补偿电导池的电容。对交流电来说,电导池的两个电极相当于一个电容器,因此须在电阻Rx上并联一个可变电容器。为防止电导池中溶液浓度改变而产生极化,交流电源的频率应高一些。但是另一方面,由于电阻箱(R1,R2,R3)存在电感和电容,电导池也有电容,因此在使用高频交流信号时,电桥平衡条件应当是: ,式中Z阻抗(包括电阻、电容和电感),若交流信号的频率不太高,则电感和电容的影响可以忽略,此时 仍然成立。综合以上因素,交流信号的频率一般选择在1000HZ左右。另外为防止电导池中产生热效应,电源电压一般不超过10V。
电导电极的选用应根据被测溶液电导率的大小而定。对电导率大的溶液,此时因极化严重,应选择电导池系数小的铂黑电极;反之,应选择电导池系数大的光亮铂电极。
惠斯登电桥的示零装置采用示波器,其灵敏度高而且很直观,但常受到外来电磁波的干扰,若采用低阻值的耳机则可避免这种干扰,但灵敏度不高,且克服不了测量过程中的人为因素。
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