Номер 846, страница 147 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

846. В электротехнических устройствах часто медные провода подсоединяют к клеммам, изготовленным из железа. Почему сопротивление перехода в таких контактах со временем сильно увеличивается из-за коррозии? К каким негативным последствиям это приводит? Предложите, как можно уменьшить этот эффект.

Почему сопротивление перехода в таких контактах со временем сильно увеличивается из-за коррозии?

Увеличение сопротивления в месте контакта медного провода и железной клеммы обусловлено явлением, называемым гальванической коррозией. Когда два разнородных металла, такие как медь (Cu) и железо (Fe), находятся в электрическом контакте в присутствии электролита (которым может служить даже влага из воздуха), они образуют гальваническую пару.

Железо является более электрохимически активным металлом, чем медь. В ряду электрохимических потенциалов железо стоит левее меди, то есть имеет более отрицательный электродный потенциал. В образовавшейся гальванической паре более активный металл (железо) становится анодом и начинает окисляться (корродировать), а менее активный (медь) — катодом. Процесс окисления железа можно описать уравнением:

$Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$

Образующиеся ионы железа $Fe^{2+}$ вступают в реакцию с кислородом и водой из окружающей среды, формируя различные оксиды и гидроксиды железа, которые мы знаем как ржавчину (например, $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$). Эти продукты коррозии являются диэлектриками или полупроводниками с очень высоким удельным сопротивлением. Они откладываются на поверхности контакта в виде рыхлого слоя, который нарушает прямой электрический контакт между медным проводом и железной клеммой. Со временем этот слой ржавчины утолщается, что приводит к значительному росту переходного сопротивления контакта.

Ответ: Сопротивление увеличивается из-за гальванической коррозии, возникающей между медью и железом во влажной среде. Железо, как более активный металл, разрушается, образуя на контакте слой ржавчины, который обладает очень высоким электрическим сопротивлением.

К каким негативным последствиям это приводит?

Увеличение переходного сопротивления контакта приводит к ряду серьезных негативных последствий:

1. Сильный нагрев контакта. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты $Q$, выделяющееся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока $I$ и сопротивлению $R$: $Q = I^2Rt$. При высоком сопротивлении $R$ в месте контакта выделяется большое количество тепла. Это может привести к перегреву, оплавлению изоляции проводов и близлежащих пластиковых деталей, что создает прямую угрозу возгорания.

2. Падение напряжения. Высокое сопротивление в точке соединения вызывает значительное падение напряжения ($U_{пад} = I \cdot R_{конт}$). В результате к потребителю (электродвигателю, лампе, электронному устройству) поступает пониженное напряжение, что ведет к снижению его производительности, нестабильной работе или полному отказу.

3. Потеря мощности и снижение КПД. Мощность, бесполезно рассеиваемая на нагрев контакта ($P = I^2R_{конт}$), является потерей. Это снижает общую энергоэффективность (КПД) всей электрической системы.

4. Нарушение надежности и отказ цепи. Контакт становится ненадежным, может искрить. В конечном итоге слой коррозии может полностью нарушить электрическую цепь, приведя к ее обрыву и отказу устройства. Кроме того, тепло, выделяющееся на контакте, ускоряет процесс коррозии, создавая порочный круг.

Ответ: Основные негативные последствия – это сильный нагрев контакта с риском возгорания, падение напряжения на нагрузке, приводящее к сбоям в работе оборудования, и полная потеря контакта (обрыв цепи).

Предложите, как можно уменьшить этот эффект.

Для уменьшения эффекта гальванической коррозии и роста переходного сопротивления в контакте медь-железо можно предпринять следующие меры:

1. Защитные металлические покрытия (лужение, кадмирование). Покрытие железной клеммы (а иногда и конца медного провода) слоем другого металла. Наиболее распространено лужение — покрытие оловом. Олово электрохимически близко к меди и образует на воздухе тонкую, но прочную и электропроводную оксидную пленку, которая защищает контакт. Также применяют покрытия из цинка или кадмия, которые выступают в роли "жертвенного анода", корродируя вместо железа.

2. Использование специальных смазок и паст. Перед сборкой соединения на контактные поверхности наносят специальные токопроводящие или антиокислительные (консервационные) смазки. Они вытесняют воздух и влагу из зоны контакта, предотвращая коррозию, а также заполняют микронеровности, увеличивая фактическую площадь соприкосновения.

3. Обеспечение качественного механического соединения. Контакт должен быть плотным и надежным. Использование болтовых соединений с пружинными или тарельчатыми шайбами позволяет создать высокое и стабильное контактное давление. Это делает соединение практически газонепроницаемым, что ограничивает доступ агрессивных компонентов среды к контактным поверхностям.

4. Использование наконечников. Для качественного соединения медного провода с клеммой применяют специальные медно-луженые кабельные наконечники, которые опрессовываются на проводе. Это создает большую и стабильную площадь контакта.

5. Герметизация соединения. Изоляция соединения от окружающей среды с помощью термоусаживаемых трубок с клеевым слоем, заливки компаундами или размещения в герметичных корпусах. Это наиболее надежный способ защиты от влаги и коррозии.

Ответ: Уменьшить эффект можно путем нанесения на железную клемму защитных покрытий (например, олова), использования специальных антиокислительных смазок, обеспечения сильного и надежного механического прижима, а также герметизации соединения для защиты от влаги.