Logo
Logo

Электрод-электролитный интерфейс

A1  0.02 Измерьте внутренний диаметр шприца $D_0$ и расстояние $L_0$ между отметками $0~\text{мл}$ и $20~\text{мл}$.

A1. 1 $ D_0 = 20 \pm 1\: мм $ 0.01
A1. 2 $ L_0 = 65 \pm 2 \: мм$ 0.01
A2  0.40 Сделайте измерения сопротивления $R$ соответствующие положениям шприца $V=2,4,\dots,20~\text{мл}$.

A2. 1 Получена зависимость $R(V)$ 10 × 0.04
A3  0.40 Постройте график $R$ от $V$. Проведите сглаживающую прямую $R=R_1 + \alpha_1 V$. Рассчитайте значения параметров $R_1$ и $\alpha_1$.

A3. 2 Точки нанесены на график.
Пункт оценивается, если измеренные значения (даже неправильные) ложатся на линейный, возрастающий график.
10 × 0.03
A3. 3 Не проведена сглаживающая прямая (если присутствует график) -0.05
A3. 6 Не подписаны оси (если присутствует график) -0.05
A3. 7 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график) -0.05
A3. 8 Неправильный масштаб графика (если присутствует график) -0.05
A3. 9 $R_1 \in [4.0,6.0] \: Ом$ 0.05
A3. 10 $\alpha_1 \in [0.9,1.6] \: \frac{Ом}{мл}$ 0.05
B1  0.80 Для каждого из приготовленных растворов проведите серию из $4$-ех измерений $R$ от $V$.

B1. 1 Проведена серия измерений для первого раствора 4 × 0.05
B1. 2 Проведена серия измерений для второго раствора 4 × 0.05
B1. 3 Проведена серия измерений для третьего раствора 4 × 0.05
B1. 4 Проведена серия измерений для четвёртого раствора 4 × 0.05
B2  0.12 С помощью МНК для каждого из растворов посчитайте параметры $R_1$ и $\alpha_1$ по аналогии с пунктом $\textbf{А3}$. Результаты представьте в виде таблицы.

B2. 1 Посчитаны $R_1$ лежащие в диапазоне $[2.0,6.0]~\text{Ом}$. 4 × 0.01
B2. 2 Посчитаны $\alpha_1$ лежащие в диапазоне $[0.4,1.6]~\frac{\text{Ом}}{\text{мл}}$. 4 × 0.02
B3  0.06 В среде создается внешнее постоянное поле $E$. Чему равна установившаяся скорость частицы $v_{у}$? Ответ запишите через $E,k,q$.

B3. 0 Записан II закон Ньютона:
\[ Eq = kv_\text{y} \]
0.04
B3. 2 Получен ответ: \[ v_\text{y} = \frac{Eq}{k} \] 0.02
B4  0.15 Чему равен установившийся ток $I$, если к электродам подведена разность потенциалов $U$? Любыми поверхностными эффектами пренебрегите (например, контактной разностью потенциалов и контактным сопротивлением). Ответ запишите через $n,S,L,e,k_{\rm Na^+}, k_{\rm Cl^-}$ и $U$.

B4. 1 Записано начальное выражение для тока: \[ I = \frac{dq}{dt}= nvSq \] 0.04
B4. 2 Учтено, что ток возникает из-за разнозаряженных ионов: \[ I = nSe \frac{Ee}{k_{\rm Na^+}} + nSe \frac{Ee}{k_{\rm Cl^-}}.\] 0.03
B4. 3 Получен ответ: \[ I = \frac{nSe^2U}{L} \left( \frac{1}{k_{\rm Na^+}}+\frac{1}{k_{\rm Cl^-}} \right)\] 0.08
B5  0.65 Пусть к основаниям подведена разность потенциалов $U(t) = U \cos \omega t$, как будет зависеть ток $I(t)$ от времени? Любыми поверхностными эффектами снова пренебрегите. Ответ запишите через $n,S,L,e,\omega,m_{\rm Na^+}, m_{\rm Cl^-},k_{\rm Na^+}, k_{\rm Cl^-}, U$ и $t$.

B5. 1 Записан II закон Ньютона для частицы в переменном поле:
\[ m\dot{v} + kv = Eq e^{i \omega t}.\]
0.05
B5. 2 Правильная амплитуда у частного решения:\[\quad \tilde{B} = \frac{Eq}{k} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\omega^2 m^2}{k^2} }}e^{-i\arctan \frac{\omega m}{k}}.\]
0.20
B5. 3 Правильная фаза у частного решения: \[\quad \tilde{B} = \frac{Eq}{k} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\omega^2 m^2}{k^2} }}e^{-i\arctan \frac{\omega m}{k}}.\]
0.20
B5. 4 Посчитан комплексный ток как сумма токов ионов: \[ \tilde{I} = \frac{nSe^2 U}{Lk_{\rm Na^+}} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\omega^2 m_{\rm Na^+}^2}{k_{\rm Na^+}^2} }} e^{-i\arctan \frac{\omega m_{\rm Na^+}}{k_{\rm Na^+}} +i \omega t} + \frac{nSe^2 U}{Lk_{\rm Cl^-}} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\omega^2 m_{\rm Cl^-}^2}{k_{\rm Cl^-}^2} }} e^{-i\arctan \frac{\omega m_{\rm Cl^-}}{k_{\rm Cl^-}}+i \omega t}\] 0.15
B5. 5 Получен ответ:
\[
\begin{split}
I = \frac{nSe^2 U}{Lk_{\rm Na^+}} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\omega^2 m_{\rm Na^+}^2}{k_{\rm Na^+}^2} }} \cos \left( -\arctan \frac{\omega m_{\rm Na^+}}{k_{\rm Na^+}} +\omega t \right) +\\+
\frac{nSe^2 U}{Lk_{\rm Cl^-}} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\omega^2 m_{\rm Cl^-}^2}{k_{\rm Cl^-}^2} }} \cos \left( -\arctan \frac{\omega m_{\rm Cl^-}}{k_{\rm Cl^-}} +\omega t \right)
\end{split}\]
Ответ только с неправильным знаком фазы оценивается.
0.05
B6  0.25 Теперь учтем поверхностные эффекты в виде резистора $R_\text{п}$, который последовательно подключен к раствору. Запишите формулу для импеданса $\tilde{Z}(\omega)$ системы, состоящей из раствора $\rm NaCl$ и сосуда. Ответ запишите через $n,S,L,e,m_{\rm Na^+}, m_{\rm Cl^-},\omega,k_{\rm Na^+}, k_{\rm Cl^-}$ и $R_\text{п}$.

B6. 0 Выражен импеданс: \[ \tilde{Z} = \frac{Lk}{nSq^2} \left( 1+ i \omega \frac{m}{k} \right),\]

Если комплексное напряжение делится на сумму комплексных токов от ионов, то этот пункт засчитывается автоматически.
0.05
B6. 2 Правильно определена схема из параллельных $Z_{\rm Na^+}$,$Z_{\rm Cl^-}$ и последовательного $R_\text{п}$ 0.10
B6. 3 Получен ответ: \[ \tilde{Z}(\omega) = R_\text{п} + \frac{\frac{k_{\rm Na^+}L}{nSe^2} \left(1 + \frac{i \omega m_{\rm Na^+}}{k_{\rm Na^+}} \right) \cdot \frac{k_{\rm Cl^-}L}{nSe^2} \left(1 + \frac{i \omega m_{\rm Cl^-}}{k_{\rm Cl^-}} \right)}
{\frac{k_{\rm Na^+}L}{nSe^2} \left(1 + \frac{i \omega m_{\rm Na^+}}{k_{\rm Na^+}} \right) + \frac{k_{\rm Cl^-}L}{nSe^2} \left(1 + \frac{i \omega m_{\rm Cl^-}}{k_{\rm Cl^-}} \right)}\]
0.10
B7  0.10 Чему равен теоретический импеданс системы $\tilde{Z}$, если разность фаз между напряжением пренебрежимо мала? Ответ выразите через $n,S,L,e,k_{\rm Na^+}, k_{\rm Cl^-}$ и $R_\text{п}$.

B7. 1 Указано, что при пренебрежимо малой разности фаз комплексными частями можно пренебречь 0.05
B7. 2 Получен ответ: \[ \tilde{Z} = R_\text{п} + \frac{L}{nSe^2} \frac{k_{\rm Na^+} \cdot k_{\rm Cl^-}}{k_{\rm Na^+} + k_{\rm Cl^-}} \] 0.05
B8  0.40 Используя линеаризованный график $\alpha_1$ от $c$ получите значение $\alpha$.

B8. 0 Приведена линеаризация (например $\ln(\alpha_1)$ от $\ln(c)$) 0.05
B8. 2 Произведён пересчёт точек 4 × 0.02
B8. 3 Точки нанесены на график. При использовании МНК данный пункт не оценивается. 4 × 0.04
B8. 4 С помощью графика или иным способом определено значение $\alpha$ 0.05
B8. 6 Не подписаны оси (если присутствует график) -0.05
B8. 7 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график) -0.05
B8. 8 Неправильный масштаб графика (если присутствует график) -0.05
B8. 9 $\alpha \in [0.1,0.6]$ 0.06
B9  0.40 Получите теоретическую зависимость $|\tilde{Z}|^2(\omega)$ в приближении $\omega m_{\rm Na^+} \gg k_{\rm Na^+}$, $\omega m_{\rm Cl^-} \gg k_{\rm Cl^-}$. Ответ запишите через $n,S,L,e,m_{\rm Na^+}, m_{\rm Cl^-},\omega,k_{\rm Na^+}, k_{\rm Cl^-}$ и $R_\text{п}$.

B9. 1 Произведено упрощение формулы из B6: \[ \tilde{Z} = R_\text{п} + \frac{L}{nSe^2} \frac{(k_{\rm Na^+} + i \omega m_{\rm Na^+})(k_{\rm Cl^-} + i \omega m_{\rm Cl^-})}{(k_{\rm Na^+} + k_{\rm Cl^-}) + i \omega (m_{\rm Na^+}+m_{\rm Cl^-})} \] 0.05
B9. 2 Произведено приближение формулы из B6:
\[
\begin{split}
\tilde{Z} = R_\text{п} &+ \frac{L}{nSe^2} \frac{
- \omega^2 m_{\rm Na^+} m_{\rm Cl^-} (k_{\rm Na^+} + k_{\rm Cl^-})+ i\omega^3 m_{\rm Na^+} m_{\rm Cl^-} ( m_{\rm Na^+} + m_{\rm Cl^-}) }{
\omega ^2(m_{\rm Na^+}+m_{\rm Cl^-})^2}
+\\&+\frac{L}{nSe^2} \frac{\omega^2 ( m_{\rm Na^+}k_{\rm Cl^-} +m_{\rm Cl^-}k_{\rm Na^+}) (m_{\rm Na^+} + m_{\rm Cl^-})
}{
\omega ^2(m_{\rm Na^+}+m_{\rm Cl^-})^2}
\end{split}
\]
0.25
B9. 3 Получен ответ: \[ |\tilde{Z}|^2 = \left( R_\text{п} + \frac{L}{nSe^2} \frac{m_{\rm Na^+}^2 k_{\rm Cl^-} + m_{\rm Cl^+}^2 k_{\rm Na^+} }{(m_{\rm Na^+} + m_{\rm Cl^-})^2} \right)^2 + \omega^2 \left( \frac{L}{nSe^2} \frac{m_{\rm Na^+} m_{\rm Cl^-}}{m_{\rm Na^+} + m_{\rm Cl^-}} \right)^2 \] 0.10
B9. 4 При решении производится пренебрежение действительной части относительно мнимой -0.10
B10  0.35 Для раствора с концентрацией соли $c\approx 0.20$ проведите измерения модуля импеданса $|Z|$ от частоты $f$. Серия должна состоять из не менее 7-ми разных $f$ в диапазоне $500~\text{кГц} \leq f \leq 10~\text{МГц}$.

B10. 1 Получена зависимость $|Z|(f)$ 7 × 0.05
B10. 2 Исследовано менее 80% диапазона -0.05
B11  0.50 Постройте линеаризованный график $|Z|$ от $f$. Из графика определите экспериментальное значение $\mu_\text{эфф}=\frac{\mu_{\rm Na} \cdot \mu_{\rm Cl}}{\mu_{\rm Na} + \mu_{\rm Cl}}$.

B11. 0 Предложена линеаризация (например $|Z|^2$ от $\omega^2$) 0.05
B11. 2 Произведён пересчёт точек 7 × 0.02
B11. 3 Точки нанесены на график 7 × 0.03
B11. 5 Не подписаны оси (если присутствует график) -0.05
B11. 6 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график) -0.05
B11. 7 Неправильный масштаб графика (если присутствует график) -0.05
B11. 8 $\mu_{эфф} = [1.7 \pm .3] \cdot 10^{7} \: \frac{кг}{моль}$ 0.10
B12  0.15 Определите $N$ исходя из ваших экспериментальных данных.

B12. 0 Правильная формула для вычисления $\mu_{\text{эфф}}$:
$$\mu_\text{эфф} = \frac{(\mu_{\rm Na}+ N \mu_{\rm H_2 O})\cdot (\mu_{\rm Cl}+ N \mu_{\rm H_2 O})}{\mu_{\rm Na}+ N \mu_{\rm H_2 O} + \mu_{\rm Cl}+ N \mu_{\rm H_2 O}}$$
0.02
B12. 1 Решение квадратного уравнения или пренебрежение. 0.10
B12. 7 $N = [1.8 \pm 0.3]\cdot10^{7}$ 0.03
C1  1.50 В диапазоне частот $5~\text{Гц} \leq f \leq 1~\text{кГц}$ проведите измерения модуля импеданса шприца $|\tilde{Z}|$ и времени $\Delta t$, на которое пик тока опережает пик напряжения. Сделайте не менее 15 измерений.

C1. 1 Измерена зависимость $|Z|(f)$ 15 × 0.06
C1. 2 Измерена зависимость $\Delta t(f)$ 15 × 0.04
C1. 3 Исследовано менее 80% диапазона -0.15
C2  0.60 На основе Ваших данных постройте диаграмму Найквиста $\mathfrak{Im} \tilde{Z}_\text{п}$ от $\mathfrak{Re} \tilde{Z}_\text{п}$ для поверхностных эффектов. Укажите на диаграмме в виде стрелки направление перехода от точки к точке, соответствующее увеличению $\omega$.

C2. 0 Посчитаны $\mathfrak{Re} \tilde{Z}_\text{п}$ 15 × 0.01
C2. 1 Посчитаны $\mathfrak{Im} \tilde{Z}_\text{п}$ 15 × 0.01
C2. 3 Точки нанесены на график 15 × 0.02
C2. 4 Не нарисованы стрелки (если присутствует график) -0.10
C2. 5 Не подписаны оси (если присутствует график) -0.10
C2. 6 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график) -0.10
C2. 7 Неправильный масштаб графика (если присутствует график) -0.10
C3  0.10 Качественно изобразите диаграмму Найквиста для плоского конденсатора.

C3. 1 Диаграмма присутствует и изображена правильно 0.10
C3. 2 Неправильно выбран знак мнимой части -0.05
C4  0.20 Запишите выражения для $C_l$ и $R_l$ через $r,\sigma,\rho$ и $\xi$.

C4. 1 Записано выражение для $C_l$: \[C_l=2\pi r \sigma.\] 0.10
C4. 2 Записано выражение для $R_l$: \[ R_l = \frac{\rho}{\frac{1}{\xi}-\pi r^2}. \] 0.10
C4. 3 В выражении для $R_l$ не учтена площадь сечения цилиндра $\pi{r}^2$. -0.05
C5  0.10 Запишите комплексный ток $\tilde{I}(x)$ через производную комплексного потенциала $\frac{d\tilde{\varphi}(x)}{dx}$ и $R_l$.

C5. 1 Записано падение напряжения на единице длины проводника: \[ -R_ldx \, \tilde{I} = \tilde{\varphi}(x+dx) - \tilde{\varphi}(x) \]
Пункт засчитывается и при неправильном знаке перед $\tilde{I}$.
0.05
C5. 2 Получен ответ: \[ \tilde{I}(x) = -\frac{1}{R_l}\frac{d\tilde{\varphi}(x)}{dx} \]
Пункт не засчитывается при неправильном знаке.
0.05
C6  0.10 Свяжите производную комплексного тока $\frac{d\tilde{I}(x)}{dx}$ и комплексный потенциал $\tilde{\varphi}(x)$ через $C_l$.

C6. 1 Записан ток через единицу длины конденсатора: \[ \frac{\tilde{I}(x+dx) - \tilde{I}(x)}{i\omega C_l dx} = \tilde{\varphi} (x) \]
Пункт засчитывается и при отсутствии мнимой единицы в знаменателе.
0.05
C6. 2 Получен ответ: \[ \frac{d \tilde{I}(x)}{d x} = i \omega C_l \tilde{\varphi}(x) \]
Пункт не засчитывается при отсутствии мнимой.
0.05
C7  0.20 Покажите, что $\tilde{I}(0) = 0$.

C7. 1 Приведено правильное обоснование 0.20
C8  1.25 Решите полученную в пунктах $\textbf{C5}$ и $\textbf{C6}$ систему дифференциальных уравнений и получите импеданс $\tilde{Z}_\text{ц}(\omega)$ одного цилиндра и электролита, окружающего его. Ёмкостью основания цилиндра и ёмкостью плоской поверхности, на которой стоят цилиндры пренебрегайте. Ответ выразите через $C_l,R_l,l$ и $\omega$.

C8. 1 Получено дифференциальное уравнение на $\tilde{\varphi}(x)$:
\[ \tilde{\varphi}'' + i \omega C_l R_l \tilde{\varphi} = 0 \]
0.20
C8. 2 Найдены собственные числа:
При $\sqrt{\frac{\omega C_l R_l}{2}}=\zeta$ :
\[ \lambda_i = \pm (1-i) \zeta \]
0.16
C8. 3 Приведены граничные условия: $$\tilde{\varphi}(l)=Ue^{i \omega t}, \tilde{\varphi}'(0) = 0$$ 0.04
C8. 4 Записано выражение для потенциала:
\[ \tilde{\varphi}(x) = U e^{i \omega t} \frac{ \cosh(\zeta x- i \zeta x)}{\cosh(\zeta l - i \zeta l)}\]
0.40
C8. 5 Записано выражение для тока:
\[ \tilde{I}(l) = -\frac{1}{R_l} \tilde{\varphi}'(l) = -U e^{i \omega t} \frac{\zeta (1-i)}{R_l} \frac{ \sinh(\zeta l- i \zeta l)}{\cosh(\zeta l - i \zeta l)}. \]
0.10
C8. 6 Записано выражение для импеданса:
\[\tilde{Z}_\text{ц} = \sqrt{\frac{R_l}{2\omega C_l}} \frac{1+i}{\tanh \left( (1-i) \sqrt{\frac{\omega C_l R_l}{2}} l \right)} = \sqrt{\frac{R_l}{\omega C_l}} \frac{1 - i\tanh \sqrt{\frac{\omega C_l R_l}{2}} l \cdot \tan \sqrt{\frac{\omega C_l R_l}{2}} l}{\tanh \sqrt{\frac{\omega C_l R_l}{2}} l - i\tan \sqrt{\frac{\omega C_l R_l}{2}} l} e^{-i\pi/4}.\]
0.35
C9  0.20 Получите импеданс $\tilde{Z}_\text{ц}(\omega)$ в приближении $\sqrt{\omega C_l R_l l^2} \gg 1$. Ответ выразите через $C_l,R_l,l$ и $\omega$. Следующие теоретические пункты также решаются в этом приближении.

C9. 0 Правильное использование приближение (замена гиперболических функций на экспоненту) 0.12
C9. 2 Получен ответ: \[ \tilde{Z}_\text{ц} = \sqrt{\frac{R_l}{\omega C_l}}e^{-i\pi/4} \] 0.08
C10  0.20 Чему равен импеданс $\tilde{Z}_\text{п}(\omega)$ одной поверхности цилиндра, соприкасающейся с электролитом. Площадь поверхности $S$. Ответ выразите через $r,\sigma,\rho,\xi,S$ и $\omega$.

Нарисуйте качественно диаграмму Найквиста $\tilde{Z}_\text{п}(\omega)$. Теоретическая и экспериментальная диаграммы Найквиста должны совпадать по форме, но часть их характеристик могут незначительно отличаться.

C10. 1 Получен ответ: \[ \tilde{Z}_\text{п} = \frac{1}{\xi S}
\sqrt{
\frac{\rho}{2\pi r \sigma \omega \left(\frac{1}{\xi} - \pi r^2 \right)}
} e^{-i\pi/4}\]
0.08
C10. 2 Диаграмма Найквиста луч, выходящий из нуля 0.04
C10. 3 На диаграмме Найквиста луч находится под углом $\pi / 4$ к оси действительных значений 0.04
C10. 4 Диаграмма Найквиста находится в отрицательной области мнимых значений 0.02
C10. 5 Правильно указано направление увеличения $\omega$ 0.02
С11  0.70 Постройте линеаризованный график $|\tilde{Z}_\text{п}|$ от $\omega$.

С11. 0 Предложена линеаризация (например $|Z|^{-2}$ от $\omega$) 0.05
С11. 2 Произведён пересчёт точек 15 × 0.01
С11. 3 Точки нанесены на график 15 × 0.03
С11. 4 Проведена прямая 0.05
С11. 5 Не подписаны оси (если присутствует график) -0.10
С11. 6 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график) -0.10
С11. 7 Неправильный масштаб графика (если присутствует график) -0.10
C12  0.10 Определите $\sigma$.

C12. 1 $\sigma_0 = [4.0,11.0] \: \frac{мкФ}{см^2}$ 0.10