Używanie butelki z wodą jako rezystora

36

Dzisiaj, popijając wodę z butelki o pojemności , zacząłem czytać informacje o wodzie i odkryłem, że przewodnictwo ( σ ) w temperaturze 25 ° C wynosi . Przyszło mi do głowy, że może mógłbym obliczyć opór butelki z wodą od góry do dołu. Po kilku pomiarów, to okazało się, że butelka może być przybliżona jako cylinder o wysokości i promień podstawy.500mLσ25°147.9μS/cm18cm3cm

Możemy więc wykonać następujące czynności: , gdzieρ=1Req=ρLA to oporność,Lto wysokość butelki, aAto powierzchnia podstawy. W ten sposób, mamReq4,3kOhm.ρ=1σLAReq4.3kΩ

Następnie kupiłem nową pełną butelkę, wykonałem otwór na jej dnie (oczywiście unikając przecieków) i zmierzyłem opór (za pomocą multimetru cyfrowego) od tego otworu do „ujścia”, na początku robiąc to tak, że tylko końcówka sondy dotykają wody. Zmierzony opór był bardzo wysoki, od do nawet 1 M Ohm w zależności od tego, jak głęboko w wodzie I umieszczone sondy.180kΩ1MΩ

Dlaczego zmierzony opór tak różni się od tego, co obliczyłem? Czy coś brakuje? Czy w ogóle można użyć butelki z wodą jako rezystora?

Edycja nr 1: Jippie wskazała, że ​​powinienem używać elektrod o takim samym kształcie jak butelka. Użyłem folii aluminiowej i faktycznie zadziałało! Oprócz tego czasu zmierzyłem ~ a nie 4,3 k Ω, które obliczyłem. Jedną rzeczą, którą zauważyłem podczas zapalania diody LED wodą jako rezystorem, było to, że opór powoli narastał z czasem. Czy zjawisko to można wyjaśnić elektrolizą, która zachodzi podczas przepływu prądu stałego przez wodę (elektrody powoli się pogarszają z powodu akumulacji jonów na ich powierzchni)? Nie byłoby tak w przypadku prądu przemiennego, prawda?10kΩ4.3kΩ

Thiago
źródło
6
Przewodnictwo wody będzie miało bardzo dużo wspólnego z zawartością jonów w wodzie.
Scott Seidman
1
Oczywiście, ale wyobrażałem sobie, że przewodność podana na butelce wystarczyłaby do obliczenia oporu.
Thiago
2
Co ciekawe, wcześniej użyłem butelki z wodą jako rezystora do przetestowania mojego zasilacza. Ma doskonałe ciepło właściwe i może pochłonąć dużo energii, zanim się nagrzeje. Wadą jest to, że jeśli nie planujesz pracy z prądem przemiennym, elektroliza zamieni butelkę z wodą w bombę wodorową!
fuzzyhair2
6
@ fuzzyhair2 Bomba wodorowa to nie tylko mieszanina tlenu i wodoru :-)
1
Odporność czystej wody o pH 7 jest dość wysoka, ale praktycznie wszystko, co w niej rozpuszczone, dramatycznie obniży jej odporność. Z drugiej strony praktycznie wszystkie materiały elektrod przewodzących reagują elektrolitycznie z wodą, aw przypadku systemów prądu stałego na jednej elektrodzie powstanie izolująca warstwa tlenku.
Hot Licks

Odpowiedzi:

24

Stosowana formuła jest ważna dla określonego obszaru, ale wielkość sond nie jest zbliżona do obszaru użytego w obliczeniach. Jeśli chcesz uzyskać dokładniejsze przybliżenie, musisz użyć elektrod o podobnej wielkości jak obszar, dla którego obliczono słup wody, jedno mieszkanie u góry, jedno mieszkanie u dołu.

jippie
źródło
Więc moje przybliżenie byłoby lepsze, gdybym użył takich elektrod na górze i na dole? Czy dobrze byłoby stosować je z prostymi lutowanymi drutami? Czy elektrody generowałyby znaczną pojemność?
Thiago
Dostajesz pojemność, gdy masz dielektryk. Woda nie jest dielektrykiem, ponieważ przewodzi. Nie będzie pojemności, ponieważ ładunek z jednej płyty może przemieszczać się przez wodę na drugą płytkę.
Majenko
Spróbuję i dodam wyniki później.
Thiago
Wypróbowałem elektrody i faktycznie stało się o wiele lepiej. Więcej informacji na temat posta.
Thiago
1
Jasne, może mieć wysoki dielektryk, ale to nie znaczy, że utrzyma ładunek między dwiema płytkami, gdy przewodzi ładunek między płytkami wyrównujący ładunek. Jeśli chcesz użyć wody jako dielektryka, musisz odizolować płyty od wody, tak jak robisz to, gdy chcesz użyć pojemnościowej metody
pomiaru
13

Zgadzam się z @jippie.

Weźmy na przykład ten przekrój dobrego, staromodnego węglowego rezystora prętowego:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Zauważysz, że druty nie tylko przyklejają się do pręta węglowego - zamiast tego mocują się do metalowych płytek o tej samej średnicy co pręt węglowy.

To samo z bardziej nowoczesnym rezystorem filmu węglowego:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Tutaj druty przymocowane są do niklowych nasadek, które łączą się z rurką węglową na całym jej obwodzie, nie tylko w jednym punkcie.

Majenko
źródło
2
Folia węglowa jest cięta w spiralny wzór, który owija się wokół ceramiki. Więc głównie nawiązuje kontakt na niewielkim obszarze.
George Herold
Tak, ale nadal będzie kontaktować się z całym tym obszarem na końcu, a nie tylko z jednym małym punktem, w którym przewód jest podłączony. Ważne jest to, że połączenie ma cały rozmiar elementu oporowego, cokolwiek to jest, a nie tylko punkt na tym elemencie oporowym.
Majenko
9

Jak już wskazał Jippie, jednym z problemów jest to, że twoje elektrody były znacznie mniejsze niż zakładane przez twoje obliczenia. Wydaje się, że zakładają, że całe górne i dolne obszary cylindra będą elektrodami.

Jednak oporność „wody” jest bardzo zróżnicowana. Bardzo, bardzo czysta i dejonizowana woda ma bardzo wysoką oporność. Rezystywność każdej prawdziwej wody, do której prawdopodobnie masz dostęp, zależy od tego, jakie są w niej zanieczyszczenia. Nawet niewielkie ilości mogą mieć duży wpływ na oporność.

Innym problemem związanym z wytwarzaniem rezystora z wody jest to, że na elektrodach będzie elektroliza. Bez zanieczyszczeń i obojętnych elektrod (takich jak grafit) uwolnisz wodór z jednej elektrody, a tlen z drugiej. Z zanieczyszczeniami i chemicznie aktywnymi elektrodami może się zdarzyć wiele rzeczy. Na przykład, jeśli elektrolizujesz słoną wodę, częściowo otrzymasz gazowy chlor. Większość metali ulega korozji na jednym końcu drugiego, jeśli zostanie użyta jako elektroda.

Woda po prostu nie jest dobrą substancją do wytwarzania rezystorów.

Olin Lathrop
źródło
2
W dawnych czasach duże beczki słonej wody z miedzianymi płytkami, które mogły być w nich zanurzone, były używane do sterowania silnikami elektrycznymi w carnaval. Więc faktycznie były używane jako rodzaj rezystora.
jippie
Kilka lat temu widziałem taką konfigurację w fabryce, używaną podczas uruchamiania dużej wytłaczarki folii z tworzywa sztucznego lub coś w tym rodzaju.
brhans
Wczesne ustawienia oświetlenia czasami wykorzystywały wodę do ściemniaczy. Jak mówi Olin, sama woda nie jest bardzo przydatna - do wody dodano sól lub kwas, aby znacznie zwiększyć przewodność. Zobacz to na przykład.
Spehro Pefhany
Fajnie, że wskazałeś, że jon ten zmienia przewodnictwo wody. +1
RawBean
5

Próbowałem zmierzyć przewodność wody kilka razy za pomocą DMM bez większego szczęścia ... lub powtarzalnych wyników. (przy użyciu dużych płaskich sond.) Czytanie tego, http://en.wikipedia.org/wiki/Conductivity_(electrolytic)

Myślę, że problemem może być elektroliza prądu stałego w końcówkach wody / sondy. Teraz będę musiał spróbować AC pewnego dnia!

Edytuj dodatek: (Friday Fun.)
Więc zmotywowałem się do pomiaru oporu wody.
Włożyłem jakieś słupki SS o średnicy 1/2 cala do plastikowej wanny z ~ 1 "wodą kranową Buffalo na dole. (Zdjęcie i dane są tutaj.)

Sygnały z generatora funkcji wysyłane są przez sondy do opamp TIA. (R = 1 k omów) Przesunąłem sondy wokół ~ 1 k omów rezystancji (patrz TEK000). Następnie włożyłem sondy do DMM (skala oporności). Początkowo rezystancja zmieniała się gwałtownie (od ~ 3k omów), a następnie powoli wzrastała do ~ 50k Ohm, w którym to momencie auto DMM osiągała zakres i osiągała ~ 300k Ohm, a następnie rezystancja spadała do ~ 200k Ohm.

Potem zagrałem, spojrzałem na odpowiedź krokową, zmieniłem amplitudę napędu napięciowego.
(ponownie dane znajdują się w łączu dropbox)

Następnie posypałem szczyptą soli. Rezystancja szybko spadła do ~ 100 omów (bliżej 150). Próbując zmierzyć za pomocą DMM, rezystancja wyniosła 40 k Ohm!

Stała czasowa była znacznie szybsza z solą w wodzie.

Aby zmierzyć opór wody, musisz zrobić to prądem przemiennym o częstotliwości, która jest szybsza niż stała czasowa wody. (Stała czasowa zmian wody wraz ze stężeniem elektrolitu).

George Herold
źródło
@Thiago, moja przyjemność. Robiłem to lata temu z DMM i nigdy nie mogłem zrozumieć, dlaczego to nie zadziałało. Twoje pytanie zachęciło mnie do zrozumienia tego. (Spróbuj AC ... znacznie inna liczba niż daje DMM .. spróbuj dodać trochę soli z DMM.)
George Herold
2

Zrobiłem mój projekt fizyki w szkole średniej dotyczący przewodności prądu stałego czystej wody (32 lata temu) i odkryłem, że zwiększenie prądu początkowo obniżyło oporność liniowo, a następnie dość dramatycznie, te pierwsze i drugie prawdopodobnie spowodowane elektrolizą elektrod (jak wspomniano) przez Olin Lathrop) powodując jonizację, przeciwieństwo tego, co znalazłeś.

Wodór i tlen gazowy na elektrodach zmniejszą ich powierzchnię przewodzącą, zwiększając rezystywność, ale wodór i tlen przemieszczające się do każdej z elektrod będą przewodzić prąd, więc możesz mieć odwrotne / konkurencyjne efekty, które mogą zależeć od kształtu i wielkości elektrody Być może moje elektrody były wystarczająco duże, aby zignorować pierwszy efekt (zmniejszenie powierzchni), pozostawiając tylko ten drugi.

timtak
źródło
-1

Musisz zmierzyć opór wody za pomocą prądu przemiennego. Mierzysz napięcie prądu przemiennego na elektrodach i prąd przemienny przepływający przez wodę i dzielisz się, aby uzyskać skuteczny opór. Rozmiar elektrod absolutnie wpłynie również na efektywną rezystancję. Pomiary za pomocą omomierza prądu stałego za pomocą punktowych elektrod kontaktowych (końcówek ołowianych) zawsze dają opór wyższy niż obliczony. Wszystkie rodzaje dziwnych rzeczy dzieją się na styku elektrody z wodą. Na ten temat napisano wiele artykułów.

użytkownik208431
źródło
-2

W obliczeniach brakuje współczynnika temperaturowego do korekty zmian temperatury, jeśli jest on inny niż 25 stopni C. Dla większości zastosowań ma wartość 2% na stopień Celcjusza.

GR Tech
źródło
Nie ma sposobu, aby uwzględnić ogromną różnicę między prognozowaniem a pomiarem.
Chris Stratton
Kto wspomina o ogromnej różnicy? Przypomnij tylko, co zostało pominięte. Przez downvote masz na myśli, że w ogóle musimy zignorować współczynnik temperatury .... Naprawdę interesujące !!!
GR Tech
Pierwotny błąd był 41-krotnie wyższy niż oczekiwano. Po kilku zmianach jest około dwa razy większy. Twój model temperaturowy nie może tego wyjaśnić .
Chris Stratton