Электрическое сопротивление воды: Понимание удельного сопротивления воды

Важные понятия водоподготовки

Деионизованная вода —

это очень хорошо очищенная вода, в которой не содержится ионов загрязнителей. Основным критерием степени очистки деионизованной воды является электропроводность и её обратная величина — удельное сопротивление. Кроме того, деионизованная вода определяется и другими показателями: содержанием ТОС (общим органическим углеродом), значением рН, модержанием металлов (бора, калия, натрия, железа, никеля, меди, цинка, хрома), содержанием анионов(хлоридов, нитратов, фосфатов, сульфатов), содержанием микрочастиц и микроорганизмов, содержанием кремниевой кислоты. В мировой практике в зависимости от содержания в деионизованной воде ионных примесей — общего содержания растворённых солей (TDS) — её подразделяют на три категории: воду общелабораторного назначения (вода типа 3), воду аналитического качества (вода типа 2) и сверхчистую или ультрачистую воду (вода типа 1). 

Ультрачистая (особо чистая) вода —

это глубоко обессоленная сверхчистая вода, не содержащая ионов примесей. В зависимости от назначения ультрачистая вода имеет удельное сопротивление 10МОм•см и более. Ультрачистая вода применяется в электронном приборостроении, энергетике, при выращивании кристаллов, просизводстве печатных плат. В микроэлектронике используется вода трёх классов чистоты: класс «В» — вода, получаемая из исходной путём предварительной подготовки и деионизации на установках централизованной очистки воды, класс «Б» — вода, получаемая из воды класса «В» путём финишной деионизации и очистки от бактериальных и микрочастиц размером 0,2 мкм, класс «А» — вода высшей степени чистоты, получаемая из воды класса «Б» путём финишной деионизации с применением систем стерилизации, микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса. Для получения ультрачистой воды ООО «БМТ» предлагает линейку мембранных деионизаторов производительностью 5, 10, 25, 35, 50 и 100 л/ч методами обратного осмоса, ионного обмена и электродеионизации. Для получения ультрачистой воды используются химические или физические методы, например, ионный обмен, мембранное разделение, микрофильтрация, электродеионизация.

Удельная электропроводность и удельное сопротивление —

Электропроводность (или электрическая проводимость) — это cпособсть материала пропускать через себя электрический ток. Применительно к воде — это суммарный показатель наличия в воде загрязнителей (кислот, щелочей или солей), диссоциированных на ионы. Поэтому Обратная величина электропроводности — это удельное сопротивление, значение которого (МОм·см) используется в качестве критерия оценки качества ультрачистой воды. Максимальное значение удельного сопротивления, равное 18,2 МОм·см при 25°С соответствует значению электропроводности воды, равному 0,055 мкСм/см. Электропроводность и удельное сопротивление измеряют кондуктометрическим методом. Электропроводность и электросопротивление воды зависят от температуры. Так, при повышении температуры ультрачистой воды на 1°С её электропроводность увеличивается на 6%. Поэтому на практике значения электросопротивления и электропроводности воды приводятся к 25°С. Современные кондуктометры выполняют эту функцию автоматически. Тем не менее, для компенсации влияния температуры на результаты измерения одновременно с электропроводностью измеряют и температуру воды. Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя и учёного — основателя фирмы Siemens — Эрнста Вернера фон Сименса.

Содержание ТОС —

ТОС (Total Organic Carbon) — общий органический углерод — показатель содержания в воде органических веществ. Источником углерода в воде могут быть как природные органические вещества к (арбоновые кислоты с длинной органической цепью — гумины и танины), так и искусственные органические соединения, которые могут вымываться из конструкционных материлов, используемых при получении деионизованной воды (фенолы, резины, клеи, пластики и др). Не существует классификации деионизованной воды по показателю ТОС, тем не менее, существующие отраслевые стандарты для микроэлектроники, для реагентной воды, для биотехнологи и т.д. устанавливают его предельные нормативы. Для измерения общего органического углерода используются ТОС-анализаторы, в которых содержащийся в воде углерод с помощью УФ-облучения окисляется до СО2, который взаимодействуя с водой образует угольную кислоту. При этом присутствующий в воде неорганический углерод (карбонаты, бикарбонаты) должен быть удалён аэрацией, либо подкислением исходной воды.

Умягчение натрий-катионированием —

Натрий-катионирование — самый распространённый метод умягчения воды фильтрованием через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, обуславливающие жёсткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na²⁺.Замена ионов кальция и магния ионом натрия гарантирует отсутствие накипеобразований на греющих поверхностях. Анионный состав Na-катионированной воды остаётся неизменным, поэтому карбонатная жёсткость исходной воды переходит в гидрокарбонат натрия. Минерализация воды после натрий-катионирования увеличивается вследствие того, что эквивалентная масса иона натрия несколько больше эквивалентных масс инов Ca²⁺ и Mg²⁺. По мере пропускаяни воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных на смоле, возрастает, то есть катионит «истощается». Для восстановления обменной способности катионита его необходимо регенерировать 5-10% раствором хлорида натрия. Продукты регенерации CaCl₂ и MgCl₂ хорошо растворимы в воде.

Удельное сопротивление грунта и воды | Электрическая часть электростанций | Архивы

Страница 108 из 111

Основной величиной, которая вводится в расчет заземления и от которой зависят конструкции заземления, является удельное сопротивление грунта.
Удельное сопротивление грунта (в Ом. см или Ом-м) —  это сопротивление между сторонами куба с ребром 1 см (или 1 м)

где R — сопротивление указанного объема грунта, Ом; F — сечение этого объема, см² или м²; 1 — длина, см или м. При этом подразумевается, что куб находится в грунте и р не есть сопротивление вынутого из грунта куба образца.
Удельное сопротивление меди при 20 °С, равное 0,0175 X X 10“6 Ом.м, меньше удельного сопротивления осредненного грунта, равного 100 Ом-м, в 5,7.10+9 раз.

Удельное сопротивление грунта зависит от состава, однородности и структуры почвы, от климатических условий (влажность, температура) и от присутствия солей. Удельное сопротивление грунта определяется измерениями. В сложных условиях производят предпроектные изыскания для получения информации о геологическом разрезе грунта.
Для приближенных расчетов можно пользоваться следующими осредненными значениями удельного сопротивления разных грунтов (Ом- м):

Свинцовый блеск             0,01
Серный и медный колчедан         0,1

Магнитный железняк          1,0
Кокс измельченный и спрессованный         2,5

Глина     10—40
Торф     20

Чернозем, садовая земля      30—50
Пахотная земля с глиной          50

Суглинок      80
Смешанный грунт, пахотная земля с глиной, бетон во влажной почве       100

Лёсс сухой         250
Супесок речной, влажный, лед грязный …  300

Каменный уголь          350
Песок влажный 100—500

Песок сухой    1000—2500
Гравий, щебень          2000

Каменистые почвы, сулой бетон, балласт … 4000 Гранит, известняк, песчаник, кварцит  100 000 и более
Удельное сопротивление различных вод имеет следующие осредненные значения (Ом-м):

Морская вода       0,2—1,0
Днепр         12

Вода в торфяной земле       15—20
Сена     16

Волга         20
Рейн          20—40

Ключевая вода      40
Вода в прудах      50

Грунтовая вода          20—70
Водопровод (Москва)         70

Нева               60—100
Водопровод (Ленинград)                100

Волхоз   ;        100
Свирь                   300

Мамакан       330
Нива          550

Теребля и Рика, реки в каменистых почвах Кольского полуострова         6000—10 000
Дистиллированная вода, дождевая вода      1 000 000

Значения удельного сопротивления почвы (Ом-м) в зависимости от содержания влаги в ней W (% по массе) при температуре 17 °С таковы:

Температура (при постоянной влажности 15 %) влияет на удельное сопротивление грунта следующим образом:

Электропроводность промерзшей грунтовой системы может изменяться за счет миграции воды, направленной к фронту промерзания.
Влияние солей (в процентах массы влаги) при постоянной влажности 15 % и температуре 17 °С на удельное электрическое сопротивление грунта таково:

Насыщение грунта солью свыше 5 % становится менее эффективным.

• Назад
• Вперед

Что такое проводимость, удельное сопротивление, TDS, соленость и их взаимосвязь?

Вода обладает способностью проводить электричество благодаря наличию в растворе заряженных ионов. Ионы — это атомы молекул, которые имеют общий электрический заряд, и они включают катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы). Наиболее распространенные заряженные ионы в природной воде обычно включают катионы натрия (Na+), калия (K+), кальция (Ca+2) и магния (Mg+2), а также анионы хлорида (Cl-), сульфата (SO4-2). , нитрат (NO3-) и бикарбонат (HCO3-). Многие другие ионы также можно найти в воде, включая органические ионы и другие неорганические ионы.

Эти ионы несут электрический заряд и могут перемещаться в воде, что позволяет воде проводить электрический ток. Мера способности воды проводить электрический ток называется ее электропроводностью. Более высокие концентрации ионов в воде увеличивают ее способность проводить электричество и, следовательно, проводимость. С другой стороны, дистиллированная вода имеет очень низкую концентрацию ионов и низкую электропроводность.

Противоположностью проводимости является удельное сопротивление. Удельное сопротивление — это способность материала (например, воды) сопротивляться потоку электричества. Удельное сопротивление является обратной величиной проводимости, так что

Удельное сопротивление = 1/Электропроводность

Из этого соотношения видно, что вода с высокой проводимостью имеет низкое удельное сопротивление, и наоборот. Например, дистиллированная вода будет иметь высокое сопротивление и низкую проводимость.

Обычной единицей измерения проводимости является микросименс на см (мкСм/см). Эту единицу также иногда записывают как микромхо на см (мкмхо/см), где 1 мкСм/см равен 1 мкмо/см. Питьевая вода обычно имеет значения электропроводности в диапазоне от 50 до 1500 мкмо/см[1]. При более высокой проводимости вода становится слишком соленой для питья.

Поскольку проводимость незначительно зависит от температуры, значения проводимости обычно указываются как значения с температурной компенсацией, которые представляют собой значение проводимости при 25°C. Это упрощает сравнение значений проводимости для образцов с разной температурой.

Как электропроводность связана с общим содержанием растворенных твердых веществ (TDS)?

Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) относится к общему количеству растворенных веществ, присутствующих в воде. TDS обычно указывается в миллиграммах на литр (мг/л) или ppm (частях на миллион). Это означает, что если полностью испарить один литр воды с TDS 500 мг/л, останется 500 мг твердого остатка. Обычно растворенные твердые вещества включают главным образом растворенные минеральные ионы, такие как натрий, хлорид и другие упомянутые выше ионы. TDS также может включать другие неорганические ионы, растворенные органические вещества и неионогенные вещества, такие как растворенный кремнезем. Хотя относительно небольшое количество TDS включает неионогенные вещества, не несущие электрического заряда, воды с более высокими значениями TDS обычно имеют более высокие значения проводимости.

Из-за этого измерение электропроводности (быстрое и простое) можно использовать для оценки TDS (прямое измерение более дорого и требует больше времени). Однако взаимосвязь между проводимостью и TDS зависит от химического состава воды, поскольку ионы различаются по своей способности передавать электрический заряд через воду. Некоторые ионы несут электрические заряды быстрее, чем другие, из-за таких факторов, как размер и масса ионов и то, как они взаимодействуют с молекулами воды.

Общее уравнение для оценки TDS по проводимости выглядит следующим образом:

TDS (мг/л) =  k  · EC (мкСм/см)

, где EC – электрическая проводимость, а    k     – коэффициент преобразования, что связано с химическим составом воды.

Для типичных природных вод, таких как речная и озерная вода, значение коэффициента преобразования обычно составляет от 0,6 до 0,7, а значение 0,64 считается типичным. Для раствора, содержащего в основном ионы натрия и хлорида, значения 0,49до 0,56 типичны, в зависимости от концентрации соли.

Для точной оценки TDS по проводимости при выборе коэффициента преобразования следует учитывать химический состав раствора. Если состав раствора известен, то истинное TDS репрезентативной пробы воды можно рассчитать, взяв сумму измеренных концентраций. В качестве альтернативы можно напрямую измерить истинное значение TDS репрезентативного образца. Затем можно рассчитать правильное значение коэффициента преобразования на основе истинного TDS и измеренной проводимости.

Если невозможно рассчитать правильное значение коэффициента преобразования, то обычное значение коэффициента преобразования или значение коэффициента преобразования по умолчанию (например, 0,64) приведет к оценке TDS, которая, по крайней мере, находится на правильном уровне.

Как электропроводность связана с соленостью?

Соленость относится к содержанию соли в воде. Поскольку большинство растворенных твердых веществ обычно состоят из неорганических ионов, которые являются компонентами солей, концепции солености и TDS очень похожи. На самом деле эти два понятия иногда считаются синонимами. Однако соленость часто выражается в единицах массы соли на массу воды. Например, океанская вода обычно содержит около 35 граммов соли на один килограмм воды, поэтому ее соленость можно выразить как 35/1000 или 0,035. Это также может быть выражено как 3,5% или 35 частей на тысячу (ppt).

Соленость часто используется для описания морской и солоноватой воды, но также может использоваться для описания пресной воды и рассолов. Поскольку пропорции наиболее важных ионов в морской воде почти постоянны, океанографы могут использовать очень точные формулы для оценки солености по электропроводности и температуре[1].

В случаях, когда соленость измеряется в мг/л (например, для озерной воды, плавательных бассейнов или воды для орошения), соленость можно оценить по электропроводности, используя ту же формулу, которая представлена ​​для TDS в предыдущем разделе.

Ссылки

[1] Американская ассоциация общественного здравоохранения (APHA) (2005 г.) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 21-е изд. APHA, AWWA, WPCF, Вашингтон.

0 Комментарий

Posted in Проводимость, TDS, Соленость, Удельное сопротивление

Учебник по физике: электрическое сопротивление

Электрон, путешествуя по проводам и нагрузкам внешней цепи, встречает сопротивление. Сопротивление — препятствие потоку заряда. Для электрона путешествие от терминала к терминалу не является прямым маршрутом. Скорее, это зигзагообразный путь, возникающий в результате бесчисленных столкновений с неподвижными атомами внутри проводящего материала. Электроны встречают сопротивление — помеху их движению. В то время как разность электрических потенциалов, установленная между двумя клеммами , способствует движению заряда, сопротивление препятствует этому. Скорость, с которой заряд течет от клеммы к клемме, является результатом совместного действия этих двух величин.

Переменные, влияющие на электрическое сопротивление

Поток заряда по проводам часто сравнивают с потоком воды по трубам. Сопротивление потоку заряда в электрической цепи аналогично эффектам трения между водой и поверхностью трубы, а также сопротивлению, оказываемому препятствиями, присутствующими на его пути. Именно это сопротивление препятствует течению воды и снижает как ее расход, так и ее скорость дрейфа. Подобно сопротивлению потоку воды, на общее сопротивление потоку заряда внутри провода электрической цепи влияют некоторые четко определяемые переменные.

Во-первых, общая длина проводов влияет на величину сопротивления. Чем длиннее провод, тем больше будет сопротивление. Существует прямая зависимость между величиной сопротивления, с которым сталкивается заряд, и длиной провода, по которому он должен пройти. Ведь если сопротивление возникает в результате столкновений носителей заряда с атомами провода, то в более длинном проводе столкновений, вероятно, будет больше. Больше столкновений означает большее сопротивление.

Во-вторых, площадь поперечного сечения проводов влияет на величину сопротивления. Более широкие провода имеют большую площадь поперечного сечения. Вода будет течь по более широкой трубе с большей скоростью, чем по узкой. Это может быть связано с меньшим сопротивлением, которое присутствует в более широкой трубе. Таким же образом, чем шире провод, тем меньше сопротивление будет потоку электрического заряда. Когда все остальные переменные одинаковы, заряд будет течь с большей скоростью по более широким проводам с большей площадью поперечного сечения, чем по более тонким проводам.

Третьей переменной, которая, как известно, влияет на сопротивление потоку заряда, является материал, из которого сделан провод. Не все материалы созданы равными с точки зрения их проводящей способности. Некоторые материалы являются лучшими проводниками, чем другие, и оказывают меньшее сопротивление потоку заряда. Серебро — один из лучших проводников, но в проводах бытовых цепей его никогда не используют из-за его дороговизны. Медь и алюминий относятся к числу наименее дорогих материалов с подходящей электропроводностью, позволяющей использовать их в проводах бытовых цепей. Проводящая способность материала часто определяется его удельное сопротивление . Удельное сопротивление материала зависит от электронной структуры материала и его температуры. Для большинства (но не для всех) материалов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры. В таблице ниже приведены значения удельного сопротивления для различных материалов при температуре 20 градусов Цельсия.

Как видно из таблицы, существует широкий диапазон значений удельного сопротивления для различных материалов. Те материалы с более низким удельным сопротивлением оказывают меньшее сопротивление потоку заряда; они лучшие проводники. Материалы, показанные в последних четырех строках вышеприведенной таблицы, обладают таким высоким удельным сопротивлением, что их даже нельзя считать проводниками.

Используйте виджет Удельное сопротивление материала для поиска удельного сопротивления данного материала. Введите название материала и нажмите кнопку Submit , чтобы узнать его удельное сопротивление.

Математическая природа сопротивления

Сопротивление — это числовая величина, которую можно измерить и выразить математически. Стандартной метрической единицей сопротивления является ом, обозначаемый греческой буквой омега — . Электрическое устройство, имеющее сопротивление 5 Ом, будет представлено как Р = 5 . Уравнение, представляющее зависимость сопротивления ( R ) проводника цилиндрической формы (например, провода) от переменных, влияющих на него, имеет вид

, где L представляет длину провода (в метрах), представляет собой площадь поперечного сечения провода (в метрах ² ) и представляет собой удельное сопротивление материала (в ом•метрах). В соответствии с обсуждением выше, это уравнение показывает, что сопротивление провода прямо пропорционально длине провода и обратно пропорционально площади поперечного сечения провода. Как показывает уравнение, зная длину, площадь поперечного сечения и материал, из которого сделан провод (и, следовательно, его удельное сопротивление), можно определить сопротивление провода.

Расследуй!

Резисторы являются одним из наиболее распространенных компонентов электрических цепей. На большинстве резисторов нарисованы полосы или полосы цветов. Цвета отображают информацию о значении сопротивления. Возможно, вы делаете лабораторную работу и вам нужно знать сопротивление резистора, используемого в лаборатории. Используйте виджет ниже, чтобы определить значение сопротивления по цветным полоскам.

1. Бытовые цепи часто подключаются проводами двух разных размеров: 12-го и 14-го калибра. Проволока 12-го калибра имеет диаметр 1/12 дюйма, а проволока 14-го калибра имеет диаметр 1/14 дюйма. Таким образом, провод 12-го калибра имеет большее сечение, чем провод 14-го калибра. Цепь на 20 А, используемая для настенных розеток, должна быть подключена с использованием провода калибра 12, а цепь на 15 А, используемая для цепей освещения и вентиляторов, должна быть подключена с помощью провода калибра 14. Объясните физику такого электрического кода.

2. Основываясь на информации, изложенной в предыдущем вопросе, объясните риск, связанный с использованием провода 14-го калибра в цепи, которая будет использоваться для питания 16-амперной пилы.