Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
электроде может идти не один, а несколько процессов. Как правило, один из
этих процессов полезный, а другой бесполезный, следовательно, только
часть электричества затрачивается на необходимый процесс, поэтому введено
очейь важное для практики понятие о выходе по току, выражающем в сущности
коэффициент полезного действия того или иного электрохимического
процесса. Выход по току
5т==§7'100°/о' (IV-3)
182
Здесь йф - количество полезного вещества, восстановившегося на катоде или
окислившегося на аноде, г; GT - количество вещества, которое должно было
быть восстановлено на катоде или окислено на аноде, если бы на электродах
протекал только один полезный электрохимический процесс согласно законам
Фарадея, г.
Следует отметить, что понижение выхода по току может быть вызвано не
только наличием в процессе нежелательных электрохимических реакций, но и
возникновением 'коротких замыканий между анодом и катодом, а также
утечками тока.
Прохождение электрического тока через растворы и расплавы электролитов
связано с преодолением сопротивления и скачков потенциала на границе
электрод- электролит (двойного электрического слоя), для чего необходимо
приложить к электродам напряжение
U-фа-фи+//гэ+//гц, (IV.4)
фа - потенциал на границе анод--электролит, В; фк - потенциал на границе
катод - электролит, В; R3- сопротивление электролита, Ом; Rn -
сопротивление электродов и внешней электрической цепи, Ом; I - сила тока,
проходящего через электрохимическую систему, А.
В выражении (IV.4) наибольшее значение для понимания процессов
электролиза имеют потенциалы электрохимических реакций и их зависимость
от плотности тока. В заданном электролите на электродах должны протекать
те процессы, которые требуют наименьшей затраты электрической энергии на
катодное восстановление и анодное окисление эквивалентных количеств
веществ, т. е. те процессы, для которых разность анодного и катодного
потенциалов минимальна. Такая разность имеет место, когда на аноде
протекает реакция, потенциал которой наиболее электроотрицателен, а на
катоде - реакция, потенциал которой наиболее положителен. Следует иметь в
виду, что в данном случае речь идет о потенциалах, устанавливающихся в
конкретных условиях электролиза.
183
Электродные потенциалы в конкретных заданных условиях отличаются от
равновесных* на величину перенапряжения
фа = фр + Т1а; фк = фр-11к. (1V.5)
где фр - равновесный потенциал, В; ц - перенапряжение, В.
Перенапряжение (или поляризация) - это величина, характеризующая
изменение потенциала обесточенного электрода (равновесного или
стационарного потенциала) при прохождении через электрод электрического
тока. При анодной поляризации, как видно из (IV.5), потенциал электрода
становится более положительным, а при катодной - более отрицательным.
Сущность поляризации (или перенапряжения) заключается в следующем. В
естественных условиях электрохимические реакции протекают с очень малыми
скоростями. Для увеличения скорости электродной реакции (другими словами,
для увеличения тока электродной реакции, так как скорость определяется
плотностью тока реакции) необходимо сместить потенциал электрода в
положительную сторону (при анодной реакции) и отрицательную (при
катодной) от равновесного значения. Величина этого смещения потенциала от
равновесного получила в электрохимии название перенапряжения.
Многочисленными исследованиями выявлена линейная зависимость между
перенапряжением и логарифмом плотности тока, носящая название уравнения
Тафеля:
г] = a-\-blni. (IV.6)
Другими словами, понятие перенапряжения связано с избыточным напряжением,
которое необходимо приложить к электроду для проведения того или иного
процесса.
Наглядным примером технической и экономической нежелательности
перенапряжения может служить процесс электролиза воды с целью получения
водорода. Перенапряжение увеличивает необходимое напряжение на ванне и -
вызывает дополнительный расход электроэнергии. Так, при повышении
перенапряжения на 0,3 В
* Электродные потенциалы металлов, находящихся в равновесии с
собственными ионами в растворе, называются равновесными, т. е. речь идет
о потенциале электрода, через который не протекает электрический ток от
внешнего источника, или о потенциале, обусловленном появлением двойного
электрического слоя.
184
По,net зпехтрс
Р и с. 109
Рис. 110
на каждые 1000 кг водорода требуется дополнительный расход 8300 кВт-ч
электроэнергии, которая непроизводительно превращается в тепло [4].
При электрохимической размерной обработке деталь 1 является анодом, а
инструмент 2 - катодом; их подключают соответственно к положительному и
отрицательному полюсу источника технологического тока (рис. 109).
Электроды находятся на расстоянии от 0,1 до 0,01 мм друг от друга. Через
образовавшуюся электрическую цепь пропускается ток плотностью от 20 до
200 А/см2 при напряжении на электродах 5-20 В. Прокачка через
образовавшийся межэлектродный промежуток (МЭП) электролита со скоростью
